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買一臺夜視儀,拆下它的鏡片,貼到太陽能電池板上。恭喜你,你發明了在夜里也能發電的太陽能電池。
聽起來像個科學民科的冷笑話?但這正是新南威爾士大學(UNSW)光子學領域的頂尖科學家們正在攻克的課題。因為物理學告訴我們:地球的夜晚,并不是漆黑一片,而是一場巨大的紅外線狂歡。
01 被忽略的能量背影
長期以來,我們對能源的理解幾乎全部集中在“吸收”上:吸收陽光、吸收風力、吸收水流。我們習慣于這種“進賬式”的思維。
但從物理學角度看,能量的流動永遠是雙向的。白天被曬熱的地面、高樓大廈、甚至是你我身上的熱量,并不會憑空消失。在深夜,這些熱量會以紅外輻射(Infrared Radiation)的形式,源源不斷地射向寒冷的外太空。
這是一場規模宏大且極其穩定的能量交換:地球通過向外太空“排熱”來維持自身的溫度平衡。只是長期以來,我們從未想過要在這個“排出的過程”中攔截一點能量。
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02 熱輻射二極管:讓“吐光子”也能發電
傳統的太陽能電池工作原理我們很熟悉:
- 白天:太陽光(高能光子)撞擊硅板,把電子從低能級“踢”到高能級,產生電流。
- 夜晚:新南威爾士大學的內德·埃金斯-道克斯(Ned Ekins-Daukes)教授團隊提出了一個反向概念——熱輻射二極管(Thermoradiative Diode)
傳統的電池是“吞入”光子,而這種新型電池則是通過“吐出”光子來發電。
它是如何操作的?這個二極管本身帶有地面的余溫,而它面對的是溫度接近絕對零度的深空。這種巨大的溫差,讓器件內部的電子變得異常活躍。
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為了抓住這個瞬間,科學家使用了碲鎘汞(MCT)。這種常用于先進紅外探測器(比如夜視儀和導彈追蹤系統)的窄帶隙半導體材料,被重新設計成了類似太陽能電池的結構。科學家在材料內部預設了一條“單行道”:一側電子易停,另一側易流。當電子因為散熱而發生躍遷、準備釋放紅外光子時,它必須順著這條設計的方向移動。
電子定向動了,電流也就產生了。這在熱力學上被形象地稱為“負照明”效應(Negative Illumination)。
03 從實驗室走向現實:它離我們有多遠?
必須承認,這項技術目前正處于“嬰兒期”。
在悉尼的實驗室里,第一臺演示裝置產生的功率還非常微小,大約僅相當于太陽能電池板輸出功率的十萬分之一。目前的實驗電量甚至很難點亮一顆LED燈珠,裝置本身也占據了半個實驗室。
但為什么科學界對此感到興奮?回顧半導體的發展史,第一塊硅太陽能電池在1954年問世時,效率也只有不到6%,而且造價昂貴到離譜。而熱輻射二極管的出現,證明了“夜間發電”在邏輯上是完全成立的。
“我們已經證明了熱輻射過程產生電能的科學可行性,”內德·埃金斯-道克斯教授表示,“現在的任務是通過優化材料和結構,將這一功率提升100倍甚至1000倍。”04 未來——當電池不再是必需品
如果我們把目光從大型電網移開,這種“微功耗、長效輸出”的特性簡直是某些領域的救星:
- 航天工程:在極端的晝夜交替環境下,穩定的紅外輻射差可以為衛星和探測器提供無需儲能的持續微電力。
- 可穿戴設備:想象一下,只要你的體溫和周圍環境有溫差,你的手表或助聽器就能從你皮膚散發的熱量中不斷“偷”電。
- 萬物互聯(IoT):數以億計的傳感器分布在野外或建筑深處,最昂貴的維護成本就是換電池。一個只要有溫差就能工作的自給自足系統,將徹底改寫物聯網的游戲規則。
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05 換個姿勢看世界
這項研究真正迷人的地方,并不在于它現在能發多少毫瓦的電。
它打開了一種全新的視角:夜晚不只是能源系統的空白時段,它同樣是一個能量正在流動的過程。
過去我們只關心如何把能量“抓進來”,而現在,工程師開始思考——當能量不可避免地要從地球流向宇宙時,我們能不能讓它走得對人類更有用一點?
這種對“流失”的攔截,或許才是人類文明進化的下一個階段。
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