物理学家设想夜幕下从地球红外辐射中获取能量

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由于受到太阳照射，地球比外层空间更温暖。研究人员说，利用目前的技术，已经可以将热量不平衡转化为直流电，这在地球和外层空间之间也有可能实现，使地球的红外热辐射成为一个巨大的、从未利用过的能源宝库。相关论文发表在美国《国家科学院院刊》上。

首先是怎么利用地球向太空辐射的红外线来发电，这一点并不明显。哈佛大学罗伯特华莱士应用物理学教授费德里科卡帕索说，利用辐射发电而不是靠吸收光，这听起来似乎离奇。虽然违反直觉，但它在物理北京中科白癜风医院价格上是说得通的。这是物理学在纳米领域的全新应用。

挑战传统开发新能源

当热从较热物体传到较冷物体时，能产生可再生能源。从温暖的地表到寒冷的外太空，也存在这种热传递，这就是红外线辐射。地球以红外辐射的形式向外释放的能量达到100亿兆瓦，这么巨大的能量一直被忽略。

中红外线在很大程度上被人们忽视了。即使在光谱学中，直到有了量子级联激光器，人们还是认为这一波段很难操作。但这是人们对它的成见。卡帕索说。他们的最新研究表明，从地球发出的红外辐射中捕获能量是有可能的。

卡帕索是研究半导体物理学、光子学和固态电子学方面的专家。他在1994年共同发明了红外量子级联激光器，开创了能带工程研究领域，并证明了一种称为卡西米尔斥力的量子电力学现象。

阳光是一种能源，所以光伏电池才有意义，你只需要收集北京中科白癜风医院价格能量。但事情并非那么简单，要捕获红外光的能量还很困难。论文第一作者、SEAS博士后研究员斯蒂芬伯恩斯说，用这种方法能发多少电并不明显，是不是经济划算值得研究，我们还必须坐下来仔细计算一番。

发电虽少却切实可用

伯恩斯指出：比如把这种设备与太阳能电池结合，就能在夜晚获取额外的电力，而无需额外的装置成本。

为了证明红外辐射发电的可行性，卡帕索小组提出了两种不同的辐射能量收集器（EEH）：一种是热EEH，类似于太阳能热发电机；而另一种是光电子EEH，就像光伏电池板。

第一种设备由热板和冷板组成，热板的温度和地球及环境空气温度相同，冷板装在热板上，面朝上，由一种高辐射性材料制成，能把热量高效地辐射向天空。研究人员在俄克拉荷马州拉蒙特进行了实验测量，根据计算，两板间的热量差每平方米在一昼夜能发出几个瓦特的电。虽然要保持冷板温度低于环境温度还比北京中科白癜风医院刘云涛较困难，但这种设备证明了温差发电确实可行。

这种方法比较直观，我们正在把人们熟悉的热力发动机原理和辐射制冷原理结合起来。伯恩斯说。

第二种设备的原理深入到电子行为的层面，就不那么直观了。它是靠纳米电子元件二极管和天线之间的温差来发电，这不是人们用手能感知的温度。如果你有两个温度相同的元件，显然不能做什么功；如果两个元件温度不同，就能做功了。卡帕索说。它的工作原理类似光电池，其核心是整流天线，利用吸收外界热量后不同电子组件之间存在温差来产生电流。

在论文中，研究人员设计了一种单体扁平设备，印上许多这种微电路而朝向天空，以此来发电。他们还指出，目前整流天线技术只能产生可忽略的电力，但技术的进步可能会提高发电效率。

技术挑战与未来前景

研究人员更看好第二种方案。光电子的方法虽然还很新，但根据目前的技术发北京中科白癜风医院刘云涛展趋势，随着等离子学、微电子学、新材料和纳米制造方面的进步，还是可行的。论文中还指出了今后研究中面临的技术挑战和未来前景。

人们研究红外二极管至少已有50年了，还没有大的进步。最近在纳米制造方面取得了一些进展，让人们能制造更好的、可升级而且可再生的纳米材料。伯恩斯说，但即使用现在最好的红外二极管，还是有问题。一个单回路中流过的电量越多，当你从红外辐射中收集能量时，电压就会相对越低。这也意味着，要制造高效的红外二极管非常困难。

包括伯恩斯在内的工程师和物理学家，已经在设想能在低电压下工作的新型二极管，比如隧道二极管和弹道二极管。另一种方法是增加电路元件的阻抗，以此将电压提高到更可行的水平。

伯恩斯还指出，速度是另一项挑战。在处理电压和阻抗问题的同时，我们还要满足速度要求。目前只有一种筛选出来的二极管，能在一秒钟交替开关30万亿次，这是红外信号所需要的频率。无锡中关村科技创新园启动产融创新工程