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。