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環(huán)球零碳

碳中和領域的《新青年》

來源：新南威爾士大學

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“太陽能”的傳統(tǒng)認知：在沒有陽光的夜晚，竟然也能“利用太陽能發(fā)電”！

它不是吸收陽光發(fā)電，而是通過向宇宙“散熱”來發(fā)電，這種技術被稱為“夜間太陽能”。

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

在夜晚，我們用紅外相機俯瞰地球，會發(fā)現(xiàn)整個地球在“發(fā)光”。這種光并不是人眼可見的光，而是紅外輻射，是白天吸收的太陽能在夜晚以熱量形式持續(xù)向外釋放的結果。因此，夜晚的地球就像一個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（UNSW）光伏與可再生能源工程團隊正是利用這個有趣現(xiàn)象，制作了一個叫做“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)太陽能電池板少10萬倍。按照實驗數(shù)據(jù)，靠人體熱量發(fā)的電差不多只能驅(qū)動一塊電子手表。

這是因為大氣中的水蒸氣和二氧化碳等氣體也會吸收太陽的熱量，從而減少地球表面與夜空之間的溫差。

但科研團隊認為，這項技術的真正潛力不在地球，而在太空。因為太空中沒有大氣層，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)星可能是這項技術最早、也最現(xiàn)實的應用方向。

目前，衛(wèi)星主要依靠太陽能電池板和電池供電。在近地軌道運行時，衛(wèi)星通常每90分鐘繞地球一圈，其中大約一半時間處于陽光下，另一半時間進入地球陰影。太陽能板只能在有陽光時工作，進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充思路，可以從衛(wèi)星表面“榨取”更多電力。

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

熱輻射二極管的另一個優(yōu)勢在于重量很輕。現(xiàn)在航天技術領域的一個趨勢是制造體積更小、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，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。

這項技術同樣引起了美國國家航空航天局（NASA）的關注。不過，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，才會使用熱輻射二極管。

熱輻射二極管真正的用途是在太空中沒有熱源的地方，潛力會被放到最大。

例如前往太陽系外緣的探測器，或在月球永久陰影區(qū)域運行的探測車，幾乎無法依賴太陽能。目前，這類任務主要依靠一種特殊的熱電發(fā)電機供電，通過放射性同位素（如钚）的衰變產(chǎn)生的熱量來發(fā)電。

但這個發(fā)電機一方面很笨重，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，導致發(fā)電機很貴，只適合大型旗艦任務。

如果用結構更簡單、質(zhì)量更輕的熱輻射二極管，有可能會成為深空任務中更高效的能源利用方式。雖然在這過程中仍然需要钚來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體材料制成，這需要評估它們在暴露于衰變放射性同位素產(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)，其運行溫度約為540°或1000°攝氏度。

研究人員表示，以前從來沒有人想過在更高的溫度下運行這類半導體，所以我們對它們的壽命知之甚少。但對于太空任務來說，我們希望這些半導體能夠持續(xù)使用10年、20年，甚至更久。

目前，新南威爾士大學團隊已經(jīng)獲得美國空軍的研究資助，并計劃進行高空氣球試驗，首次在接近太空環(huán)境中驗證該技術。同時，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，以便未來實現(xiàn)規(guī)�；圃臁�

研究團隊的判斷是，如果研發(fā)進展順利，熱輻射二極管有望在未來五年左右進入實際應用階段。

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

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