科學家開發廢熱轉電能新設備,欲取代放射性同位素熱電機

作者 | 發布日期 2018 年 07 月 18 日 17:33 | 分類 尖端科技 , 材料 , 能源科技 follow us in feedly

將電能轉為熱能很容易,比如吹風機、烤麵包機,但要將熱能轉為電能就沒那麼簡單,美國桑迪亞國家實驗室(SNL)科學家最近開發出一種基於矽的微型設備,能有效把廢熱轉化為直流電。團隊預估,5 年內新技術或許可以成為放射性同位素熱電機的良好替代品。



我們已經有能應用在市場上的熱電發電機,但其使用仍受限於材料成本及技術複雜性考量,科學家因此不斷在嘗試開發各種新的熱電設備,比如一個加州大學團隊結合鎳-鐵坡莫合金(nickel-iron Permalloy)與矽的熱電設備,可以整合至電腦晶片中;加州大學柏克萊分校團隊則開發出收集廢熱並轉化成電力的奈米材質薄膜等。

有一種放射性同位素熱電機(radioisotope thermoelectric generators,RTGs),是利用放射性衰變獲得能量的發電機,以熱電偶陣列(應用了西貝克效應)接收合適放射性物質,在衰變時所放出熱量再將其轉成電能,常見用於人造衛星、太空探測器與無人遙控設備等,比如美國太空總署(NASA)的火星探測車「好奇號」,就是採用放射性同位素熱電機能源系統,將鈽-238 在自然衰變過程中釋放出來的熱轉換成電力。

最近,美國桑迪亞國家實驗室物理學家 Paul Davids 團隊也開發出從廢熱回收能量的新方法,他們的技術為緊湊型紅外電源供應(compact infrared power supply),將鋁、矽、二氧化矽(玻璃)等豐富材料以非常罕見的方式結合而成,或許有機會取代放射性同位素熱電機。

新裝置比小拇指指甲還要小片,長寬各約 0.3 公分,厚度只有美國 10 美分硬幣的一半,帶有金屬光澤。裝置頂部為刻有條紋的鋁材料,寬度比人的頭髮還要小 20 倍,就是這小到人眼看不到的圖案,可以成為捕捉紅外輻射的天線。

在鋁和底部矽中間為非常薄的二氧化矽層,厚度大約 20 個矽原子,或者說比人類頭髮薄 16,000 倍,經過蝕刻的鋁天線會將紅外輻射引導至該薄層中,被二氧化矽捕獲的紅外輻射產生極快電振盪,每秒約 50 兆次,以一種不對稱運動在鋁和矽之間來回推動電子,該過程稱為整流,可產生直流電。

團隊將這種固體設備命為紅外校正天線(infrared rectenna),不必直接接觸熱源導致熱應力(thermal stress)產生,採用與積體電路(integrated circuit)業相同的製造流程,只要技術成熟了,隨時可以進一步商業化。

目前,裝置功率在紅外線加熱燈的照射下為 8 nW/cm2,團隊還有許多改進想法,希望增加每單位面積的功率輸出,比如在更薄的矽晶片上製作紅外校正天線,以最大減少因電阻引起的功率損耗。

雖然打造新裝置也不是那麼容易,團隊自認最大挑戰之一是在矽中摻雜少量其他元素以反射紅外光,但 Paul Davids 相信,5 年內,紅外校正天線就可能成為 RTG 的良好替代品。新研究發表於《Physical Review Applied》期刊。

(首圖來源:桑迪亞國家實驗室

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