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環(huán)球零碳

碳中和領(lǐng)域的《新青年》

來(lái)源：新南威爾士大學(xué)

撰文：Shushu

編輯：小瀾

→這是《環(huán)球零碳》的1864篇原創(chuàng)

最近，澳大利亞的最新研究正在挑戰(zhàn)我們對(duì)“太陽(yáng)能”的傳統(tǒng)認(rèn)知：在沒(méi)有陽(yáng)光的夜晚，竟然也能“利用太陽(yáng)能發(fā)電”！

它不是吸收陽(yáng)光發(fā)電，而是通過(guò)向宇宙“散熱”來(lái)發(fā)電，這種技術(shù)被稱為“夜間太陽(yáng)能”。

傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池的工作原理，是吸收來(lái)自太陽(yáng)的光子，激發(fā)電子運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生電流。而“夜間太陽(yáng)能”幾乎是反著運(yùn)作的：它不是吸光，而是在物體向外釋放紅外熱輻射的過(guò)程中，將其中一部分能量轉(zhuǎn)化為電能。

在夜晚，我們用紅外相機(jī)俯瞰地球，會(huì)發(fā)現(xiàn)整個(gè)地球在“發(fā)光”。這種光并不是人眼可見(jiàn)的光，而是紅外輻射，是白天吸收的太陽(yáng)能在夜晚以熱量形式持續(xù)向外釋放的結(jié)果。因此，夜晚的地球就像一個(gè)正在向寒冷宇宙不斷散熱的巨大熱源。

澳大利亞新南威爾士大學(xué)（UNSW）光伏與可再生能源工程團(tuán)隊(duì)正是利用這個(gè)有趣現(xiàn)象，制作了一個(gè)叫做“熱輻射二極管”的裝置，吸收地球在夜晚的熱量，并將其轉(zhuǎn)化為電力。

目前，該裝置只能產(chǎn)生非常少量的電力——大約比傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池板少10萬(wàn)倍。按照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，靠人體熱量發(fā)的電差不多只能驅(qū)動(dòng)一塊電子手表。

這是因?yàn)榇髿庵械乃魵夂投趸嫉葰怏w也會(huì)吸收太陽(yáng)的熱量，從而減少地球表面與夜空之間的溫差。

但科研團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)的真正潛力不在地球，而在太空。因?yàn)樘罩袥](méi)有大氣層，而且環(huán)境溫度極低，物體向外輻射熱量的效率大幅提升。這正是熱輻射二極管理想的工作環(huán)境。

因此，衛(wèi)星可能是這項(xiàng)技術(shù)最早、也最現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用方向。

目前，衛(wèi)星主要依靠太陽(yáng)能電池板和電池供電。在近地軌道運(yùn)行時(shí)，衛(wèi)星通常每90分鐘繞地球一圈，其中大約一半時(shí)間處于陽(yáng)光下，另一半時(shí)間進(jìn)入地球陰影。太陽(yáng)能板只能在有陽(yáng)光時(shí)工作，進(jìn)入黑暗后就只能依賴事先充好的電池。

但是，熱輻射二極管提供了一種新的補(bǔ)充思路，可以從衛(wèi)星表面“榨取”更多電力。

衛(wèi)星在陽(yáng)光中吸收的熱量，在進(jìn)入黑暗后會(huì)持續(xù)向寒冷的宇宙空間輻射，而熱輻射二極管正好在這個(gè)過(guò)程中持續(xù)發(fā)電。它并不一定取代太陽(yáng)能板，但可以作為輔助電源，從原本會(huì)被浪費(fèi)掉的熱量中“再擠出一點(diǎn)電”。

熱輻射二極管的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于重量很輕。現(xiàn)在航天技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)趨勢(shì)是制造體積更小、軌道更低的衛(wèi)星，但功能卻與大型衛(wèi)星相同。因此，熱輻射二極管又正好派上用場(chǎng)，可以部署在衛(wèi)星的閑置表面，使整顆衛(wèi)星在夜晚都能參與發(fā)電供能。

這項(xiàng)技術(shù)同樣引起了美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的關(guān)注。不過(guò)，NASA 的研究人員指出，在近地軌道上，同樣供電45分鐘，電池成本比熱輻射二極管低，因此，只有成本很低很低時(shí)，才會(huì)使用熱輻射二極管。

熱輻射二極管真正的用途是在太空中沒(méi)有熱源的地方，潛力會(huì)被放到最大。

例如前往太陽(yáng)系外緣的探測(cè)器，或在月球永久陰影區(qū)域運(yùn)行的探測(cè)車，幾乎無(wú)法依賴太陽(yáng)能。目前，這類任務(wù)主要依靠一種特殊的熱電發(fā)電機(jī)供電，通過(guò)放射性同位素（如钚）的衰變產(chǎn)生的熱量來(lái)發(fā)電。

但這個(gè)發(fā)電機(jī)一方面很笨重，約45公斤，體積約200升，另一方面放射性材料本身非常稀缺，制造成本高又困難，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)很貴，只適合大型旗艦任務(wù)。

如果用結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、質(zhì)量更輕的熱輻射二極管，有可能會(huì)成為深空任務(wù)中更高效的能源利用方式。雖然在這過(guò)程中仍然需要钚來(lái)為熱輻射二極管提供熱源，但由于熱輻射二極管的這些特性，可以把供熱面板做到更小，效率更高，從而節(jié)約钚資源。

熱輻射二極管目前采用與夜視鏡相同的半導(dǎo)體材料制成，這需要評(píng)估它們?cè)诒┞队谒プ兎派湫酝凰禺a(chǎn)生的高溫下的可行性。目前太空中利用這些同位素作為熱源的供電系統(tǒng)，其運(yùn)行溫度約為540°或1000°攝氏度。

研究人員表示，以前從來(lái)沒(méi)有人想過(guò)在更高的溫度下運(yùn)行這類半導(dǎo)體，所以我們對(duì)它們的壽命知之甚少。但對(duì)于太空任務(wù)來(lái)說(shuō)，我們希望這些半導(dǎo)體能夠持續(xù)使用10年、20年，甚至更久。

目前，新南威爾士大學(xué)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)獲得美國(guó)空軍的研究資助，并計(jì)劃進(jìn)行高空氣球試驗(yàn)，首次在接近太空環(huán)境中驗(yàn)證該技術(shù)。同時(shí)，研究人員也在嘗試使用與傳統(tǒng)光伏產(chǎn)業(yè)相近的材料體系，以便未來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；圃?。

研究團(tuán)隊(duì)的判斷是，如果研發(fā)進(jìn)展順利，熱輻射二極管有望在未來(lái)五年左右進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。

[1]https://www.cnn.com/science/night-time-solar-energy-power-satellites-spc

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