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未来电能随便用?科学家想出新方法从地球热量中获取电能

北极蚊子 2018-2-9 15:01

能源不够用?近日,科学家解锁获取电能新技能!你可能真的想不到,这电能是从地球热量中获取的。笼统地说就是科学家发现了一种新手段,可以将多余的红外辐射和废热转化为人类能够使用的电能!

在说这个新手段之前,我们先说说这些多余的红外辐射和废热是哪来的呢?其实,地球上有很多能量都被浪费了。绝大部分照射地球的阳光被地表、海洋和大气所吸收。

这些被吸收的热量使得万物都在变暖,然而变暖的万物也会带来红外辐射的不断泄漏。据估计,这些浪费的能量每秒钟可达数百万千兆瓦。

可把这些浪费的能量变成为人类所用的电能可是不容易的,主要是因为这些红外波长实在太短了,很难捕捉到并加以利用。沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的首席研究员 Atif Shamim 表示:“世界上所有的商用二极管都不能以如此高的频率工作”。

这个难题要怎么解决呢?是时候来解密我们开头说的新手段了。为了解决这个困境,科学家们想到了利用量子隧穿效应,设计出一种特殊的小型纳米天线,而这种神奇的天线可以通过高频电磁波检测废热或红外线热量,将这些数十亿分之一秒的波形信号转换成直接的电能。

量子隧穿效应是什么?文科生表示不懂啊......别急,TechPunk 为你做详细解释。

隧穿效应,又称势垒贯穿。按照经典理论,一个球如果它的动能小于一个山坡的势能,那么球是不可能翻过山坡的。

但依量子力学观点,无论粒子能量是否高于势垒(山坡的势能),都不能肯定粒子是否能越过势垒,只能说出粒子越过势垒概率的大小。它取决于势垒高度、宽度及粒子本身的能量。

能量高于势垒的、运动方向适宜的未必一定反应,只能说穿透概率较大。而能量低于势垒的仍有一定概率实现反应,即可能有一部分粒子穿越势垒,好像从大山隧道通过一般。这就是隧道效应。

简单点说其概念可理解为,粒子能够在不具备足够能量的情况下,通过一个障碍。一个最形象的动画:

不过,这该如何应用到纳米天线的建设上呢?科学家让电子通过一个小的屏障,通过像金属-绝缘体-金属(MIM)二极管这样的隧穿器件,将红外波转换成电流。

科学家们创造出了一种新的领结形纳米天线,将绝缘体薄膜夹在由金和钛制成的两个稍微重叠的金属臂之间,从而构成了能够产生隧穿效应所需强电场的器件。

作为研究人员之一的Gaurav Jayaswal介绍:“最具挑战性的地方在于两个天线臂的纳米级重叠,这需要非常精确的对准。尽管如此,在技术和高精尖设备的支持下,我们完成了这一步”。

新制造的 MIM 二极管能够在零电压下成功捕获红外辐射,需要时启用即可。未来如果能真正投入使用,那将成为能源生产领域的重要变革。

跟传统的太阳能电池板相比,这个新手段相当于一个加足马力的能源收割机,它不仅可以捕捉利用大量的地球多余红外辐射,还有一点巨大优势,就是与太阳能发电厂不同,无论天气如何,这些能源收割机都可以全天候运行。

前景是很美好的,不过目前技术还未成熟,很多技术难题等待解决,就比如如何提高天线的能源效率。不过,相信在不久的将来,这些难题都会迎刃而解!

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