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太空的低温可为地球提供动力

EETOP · 公众号 · 硬件 · 2025-03-19 12:18

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这是夏天的一个夜晚。 在一栋安静建筑的屋顶上，一组面板利用高空的低温带走热量并进行发电，从而为房间降温和照明。实际上，建筑外围的空气温度不低，此时的夜晚还是很热，因此“低温”并非源自这里。更准确地说，面板是在透过地球大气层，吸取来自太空的低温。•听起来很疯狂？诚然，此项技术尚未完全可用。但是我们已经证明，可以直接使用太空低温产生的能量，在白天用冷水（不用电）为建筑物降温（最多可降低5摄氏度），在夜晚不用电线或电池来实现照明。随着技术的进步，太阳能面板无论是白天还是晚上都将可以工作，为传感器供电。

人类自从第一次学会用火以来，就一直在利用热。今天，人们用技术将气体燃烧、核裂变、地核、太阳和其他来源的热量转化为有用能量，支撑着现代生活。

热提供了如此多的可用能量，我们却忽略了另一种能量来源：低温。深空的低温是一种大部分尚未得到利用的热力学资源。是的，深空很遥远，但距离并不妨碍它的应用，特别是当我们考虑到宇宙广阔空间的温度有多低时：深空的温度大约只有3开尔文。

我们通常意识不到这种低温存在，因为阳光和大气反射的辐射，都会让我们周围的温度升高。而大约10年前，我们在斯坦福大学的研究团队设计了一种材料，能够非常有效地将冷库中的热量传出来，同时防止来自太阳和环境中的热量进入冷库。事实上，该材料非常有效，即使在阳光直射下，也能够将自身的温度降低到低于周围环境的温度。

这真的很“酷”。热量自发地从地球上的一个物体流向宇宙，就像水从地势较高的地区流向大海一样，我们可以借此机会在途中收获有用的能量。

对于流动的水，涡轮机可收集水流的能量来发电。对于从地球流向深空的热量，我们已经有了几个有希望实现的概念，但仍在试图找出最佳的机制。

在讲述这些观点和原型之前， 首先来了解辐射在维持地球能量平衡中的作用。

辐射是热传递的3种机制之一，另外两种是热传导和热对流。热传导源于原子相互间的振动，这在固体中很常见；热对流源于粒子（例如空气中的气体分子）的整体运动。热传导和热对流都需要介质，而以电磁波形式传播的辐射不需要介质，且可以传播很长的距离。

再想想将热量从太阳带到地球表面的太阳辐射。在阳光明媚的日子里，身体吸收阳光时，会感觉到变热。地球上的物体也会辐射热量：在晴朗的夜晚，我们的身体会感到凉爽，其中一部分原因就是热量辐射到空中。

以太阳能形式存在的入射辐射已经成为可再生能源的主要支柱，而出射辐射在很大程度上仍未用于产生能量。出射辐射将热量从地球上的物体发送到外太空，那里的热容量几乎是无限的。用此方式散热可以将物体冷却到比周围温度低几十度。

我们可以利用温差发电。热电发电机（TEG）的工作原理是塞贝克效应，即某种材料可随着温度变化产生电势差。我们可以通过有控制地添加杂质（即掺杂）来操纵半导体中的塞贝克效应。

掺杂可以将宿主半导体转变成带有可移动负电荷电子的n型半导体，或者带有可移动正电荷空穴的p型半导体。在两种情况下，将这些半导体桥接跨越温差，电子或空穴会聚集在较冷端附近。因此，在热端，n型产生正电势，p型产生负电势。

热电发电机由n型和p型半导体交替成对链接组成，从n型半导体正温差获得的电压与从p型半导体负温差获得的电压相加。在热库和冷库之间桥接一个热电发电机，可以将热差转为电能。

如果将周围环境作为热库，就可以利用来自深空的低温来建造冷库。

要实现这个目标，我们先使用发射器将热量发送到太空，发射器将自身冷却到比周围环境更低的温度，此现象称为辐射冷却。然后，再将一台热电发电机放置在低温的发射器和高温的周围环境之间，就可以进行发电了。

发射器将热量辐射到地球大气层之外，但是仅有某些波长的光子可穿过大气层。一般地球物体的热辐射集中在中红外波长的范围，最合适的大气透射的波长范围是8至13微米。

甚至一些简单的发射器也可以在这些波长发出热辐射。例如，如果与周围环境隔绝，暴露在夜空下的黑色涂料在该波段内发出的辐射可使其表面降低10摄氏度。

波长范围在8至13微米以外的大量辐射会被大气反射回来。在白天，还有太阳辐射起作用。高级的发射器设计确保仅通过透射窗口吸收和发射，从而避免来自大气和阳光的入射辐射。使用此类波长选择发射器进行辐射制冷的概念可以追溯到克莱斯-戈兰•格兰奎斯特（Claes-Göran Granqvist）及其合作者在20世纪80年代的开创性工作。就像工程师设计具有特定形状和尺寸的无线电天线，从而在特定方向发射特定波长一样，我们可以使用各种材料设计发射器，每种材料都具有特定形状和尺寸，可以调整热辐射的波段和方向。我们做得越好，发射器向太空中发射的热量就越多，发射器的温度就越低。

玻璃是制作发射器的极佳材料。其原子振动与约10微米波长的辐射强烈耦合，迫使材料通过透射窗口发射大量热辐射。只要在晚上摸一下玻璃窗，就能感到这种降温效果。添加一层金属膜有助于将辐射反射到空中，使辐射（冷却）更加有效。此外，玻璃的结构可以设计成能够特别强烈地反射阳光波长的形式。

10年前，我们的研究团队创造出第一种辐射冷却材料，可在白天工作，即使在直射阳光下，也能有效地将自身冷却到环境温度以下。材料由交错放置在银反射层上的氧化铪（HfO2）薄膜和玻璃构成。通过仔细选择每层薄膜的厚度，我们可以使材料几乎完全反射太阳辐射，同时通过大气透射窗口发送出热量。

自此之后，许多研究团队都展示了各种在白天进行辐射冷却的设计。科罗拉多大学博尔德分校的一个研究团队设计了一种发射器，在聚合物薄膜中嵌入微小的玻璃珠，并在薄膜背面镀上薄薄的一层银。玻璃珠在聚合物中发出热辐射，银涂层则反射入射的阳光。

至于我们的材料，有一项应用已经商业化：它可以在不用电情况下实现降温，从而减少或消除对建筑物空调的需求。我们研究团队衍生的公司SkyCool Systems销售无源降温面板，既可作为独立的降温系统，也可以作为现有空调和制冷系统的附件。到目前为止，SkyCool Systems已经在美国的许多杂货店安装了这种面板。

利用深空的低温获取能量的技术仍在开发中。 作为我们的第一个概念验证，我们用刷有黑色涂料的铝板做了一个简单的发射器。我们将发射器装在泡沫盒中，罩上透明的聚乙烯薄膜罩子，使得发射器能够向太空辐射热量，同时隔离周围的热量。

然后，我们在泡沫盒底部切开一个小洞，将现成的热电发电机连接到发射器，作为冷槽（cold sink）。在发电机热端，我们安装了能够无源地从周围环境收集热量的热槽（heat sink）。

太空的低温可为地球提供动力

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