當太陽落山，陽光遠離了太陽能電池板，整個夜晚靠什么供給能源？電池還是老式柴油發電機？最近，美國哈佛大學工程與應用科學學院（SEAS）研究人員提出了一種新設想：利用地球向太空發出的紅外熱輻射來發電。
由于受到太陽照射，地球比外層空間更溫暖。研究人員說，利用目前的技術，已經可以將熱量不平衡轉化為直流電，這在地球和外層空間之間也有可能實現，使地球的紅外熱輻射成為一個巨大的、從未利用過的能源寶庫。相關論文發表在美國《國家科學院院刊》上。
“首先是怎么利用地球向太空輻射的紅外線來發電，這一點并不明顯。”哈佛大學羅伯特？華萊士應用物理學教授費德里科？卡帕索說，“利用輻射發電而不是靠吸收光，這聽起來似乎離奇。雖然違反直覺，但它在物理上是說得通的。這是物理學在納米領域的全新應用。”
挑戰傳統開發新能源
當熱從較熱物體傳到較冷物體時，能產生可再生能源。從溫暖的地表到寒冷的外太空，也存在這種熱傳遞，這就是紅外線輻射。地球以紅外輻射的形式向外釋放的能量達到100億兆瓦，這么巨大的能量一直被忽略。
“中紅外線在很大程度上被人們忽視了。即使在光譜學中，直到有了量子級聯激光器，人們還是認為這一波段很難操作。但這是人們對它的成見。”卡帕索說。他們的最新研究表明，從地球發出的紅外輻射中捕獲能量是有可能的。
卡帕索是研究半導體物理學、光子學和固態電子學方面的專家。他在1994年共同發明了紅外量子級聯激光器，開創了能帶工程研究領域，并證明了一種稱為“卡西米爾斥力”的量子電力學現象。
“陽光是一種能源，所以光伏電池才有意義，你只需要收集能量。但事情并非那么簡單，要捕獲紅外光的能量還很困難。”論文第一作者、SEAS博士后研究員斯蒂芬？伯恩斯說，“用這種方法能發多少電并不明顯，是不是經濟劃算值得研究，我們還必須坐下來仔細計算一番。”
發電雖少卻切實可用
伯恩斯指出：“比如把這種設備與太陽能電池結合，就能在夜晚獲取額外的電力，而無需額外的裝置成本。”
為了證明紅外輻射發電的可行性，卡帕索小組提出了兩種不同的輻射能量收集器（EEH）：一種是熱EEH，類似于太陽能熱發電機；而另一種是光電子EEH，就像光伏電池板。
第一種設備由“熱”板和“冷”板組成，“熱”板的溫度和地球及環境空氣溫度相同，“冷”板裝在“熱”板上，面朝上，由一種高輻射性材料制成，能把熱量高效地輻射向天空。研究人員在俄克拉荷馬州拉蒙特進行了實驗測量，根據計算，兩板間的熱量差每平方米在一晝夜能發出幾個瓦特的電。雖然要保持“冷”板溫度低于環境溫度還比較困難，但這種設備證明了溫差發電確實可行。
“這種方法比較直觀，我們正在把人們熟悉的熱力發動機原理和輻射制冷原理結合起來。”伯恩斯說。
第二種設備的原理深入到電子行為的層面，就不那么直觀了。它是靠納米電子元件——二極管和天線之間的溫差來發電，這不是人們用手能感知的溫度。“如果你有兩個溫度相同的元件，顯然不能做什么功；如果兩個元件溫度不同，就能做功了。”卡帕索說。它的工作原理類似光電池，其核心是整流天線，利用吸收外界熱量后不同電子組件之間存在溫差來產生電流。
在論文中，研究人員設計了一種單體扁平設備，印上許多這種微電路而朝向天空，以此來發電。他們還指出，目前整流天線技術只能產生“可忽略的電力”，但技術的進步可能會提高發電效率。
技術挑戰與未來前景
研究人員更看好第二種方案。光電子的方法雖然還很新，但根據目前的技術發展趨勢，隨著等離子學、微電子學、新材料和納米制造方面的進步，還是可行的。論文中還指出了今后研究中面臨的技術挑戰和未來前景。
“人們研究紅外二極管至少已有50年了，還沒有大的進步。最近在納米制造方面取得了一些進展，讓人們能制造更好的、可升級而且可再生的納米材料。”伯恩斯說，但即使用現在最好的紅外二極管，還是有問題。“一個單回路中流過的電量越多，當你從紅外輻射中收集能量時，電壓就會相對越低。這也意味著，要制造高效的紅外二極管非常困難。”
包括伯恩斯在內的工程師和物理學家，已經在設想能在低電壓下工作的新型二極管，比如隧道二極管和彈道二極管。另一種方法是增加電路元件的阻抗，以此將電壓提高到更可行的水平。
伯恩斯還指出，速度是另一項挑戰。“在處理電壓和阻抗問題的同時，我們還要滿足速度要求。目前只有一種篩選出來的二極管，能在一秒鐘交替開關30萬億次，這是紅外信號所需要的頻率。”
研究人員在論文中指出：“今天的技術還不足以制造有效且成本劃算的光電輻射能收集器，但我們描述了一些可能在今后達到這一目標的方式。我們希望能開拓這個前沿領域，在可再生能源方面發揮輻射能收集器的作用。”
