[技术前沿]太空的低温可为地球提供动力

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）。

为了避免与阳光“抗争”，我们在晚上测试这个装置。在斯坦福大学戴维•帕卡德电气工程大楼的屋顶，我们的发射器的功率密度为25毫瓦/平方米，可以点亮一个LED。

我们的系统与太阳能面板类似，于是开始考虑将这两种技术结合起来，制造白天和夜晚都能发电的装置。商用硅太阳能电池的顶部通常有由硅玻璃制成的保护层，可大量传送穿过大气层的热辐射。我们以玻璃作为发射器，使用与第一次演示相似的绝缘装置，并在玻璃和太阳能电池之间插入热电发电机，在夜间实现了50毫瓦/平方米的功率，而不会中断白天的光伏发电功能。

发射器以大气层透射窗口内的波长辐射热量时，发射器的温度会降下来，成为冷库。用周围的空气作为热端，用发射器作为冷端，热电发电机可以发电。

虽然很有趣，但50毫瓦/平方米的功率密度几乎没有实际用途，就算是安装在一个郊区杂货店4000平方米的屋顶上，也只能达到200瓦/平方米，大约可为一个小冰箱供电。我们需要提高能量采集器的功率密度，吸引人们选择它为夜间照明和为其他低功耗电子设备供电。因此，我们开始进行模型仿真，测试和修改装置，并发现有多种方法可改进设计。

问题的关键在于，如何在给定发射器面积下优化热电发电机的尺寸。对于给定发射器和周围环境之间的温差，较大的发电机可以发出更多的电力，但是由于更多热量在两者之间流动，降低了发射器可以维持的温差。通过适当的平衡，我们演示了仅使用刷有黑色涂料的发射器，功率密度可加倍至100毫瓦/平方米以上。

将发射器与周围环境隔热，以使其达到很低的温度也非常重要。显然，有许多绝缘材料比我们演示时所使用的材料好。

最后，光谱选择性好的发射器，如玻璃珠设计和上述多层氧化铪设计，可以冷却到比涂有黑色涂料的铝更低的温度，增加功率密度。

将所有这些优化集中起来，我们计算出此技术可实现的最大功率密度为2.2毫瓦/平方米。这比太阳能电池在阳光下产生的功率密度要低得多。但是，当不易获得阳光时，这就非常有用了，比其他许多环境能量收集方案的功率密度要高得多。例如，从周围无线电波中获取能量的功率密度不足1毫瓦/平方米 ，我们方案的功率密度要高得多。

我们此处的方法依赖于使用发射器将热辐射发送到低温区域，并作为局部冷库。这意味着必须将发射器隔离，防止热量持续侵入，保持温差。

但是如果不用局部温差来发电呢？为了回答该问题，我们研究了光伏发电，确定是否存在不是利用阳光，而是利用深空低温工作的冷模拟（cold analog）。

在收集太阳能的过程中，光伏电池直接利用太阳辐射发电，这是由于在吸收光线时，半导体内部发生的状况。回想一下，在室温热激发的条件下，无掺杂半导体中的电子和空穴（半导体中的电荷载体）一般数量很少。但是如果用能量大于半导体带隙的光子轰击半导体，则会产生许多电子和空穴。为了分离光产生的电子和空穴，我们将选择性触点（只允许一类电荷载体通过）放置在半导体两侧。常用方法是在半导体一侧掺杂，形成p型，让空穴通过并阻挡电子，在另一侧掺杂形成n型，让电子通过并阻挡空穴。结果是在p侧积累空穴，在n侧积累电子，使p侧相对于n侧形成正电势；连接负载时，电子从n侧流出。

下图这张熟悉的光伏发电运行图假设地球上相对低温的光伏电池暴露在高温天体（例如太阳）明亮的辐射中。冷模拟是地球上面向空旷太空的光伏电池。在这里，地球比太空温度高，这种温差意味着地球上的光伏电池会向太空发射净辐射。

光伏电池可以通过吸收和放射热辐射来发电。当电池暴露于高温物体的热辐射时，会形成大量电子-空穴对，电池产生正电势;当电池暴露于较低温物体时，电池中的电子和空穴会复合形成向外的辐射，电池产生负电势。

在此类情况下，半导体中的电子和空穴重新组合并成辐射光子，反向光吸收的过程。重新组合耗尽了电子和空穴，从p侧拉走空穴，从n侧拉走电子。由于没有入射辐射来平衡辐射复合，两端电荷减少导致p侧相对于n侧产生负电势。连接负载，电子从p侧流出。电压极性与低温光伏电池吸收高温太阳辐射的情形相反，但其仍然是电。这种太阳能电池面对低温物体产生能量的现象并不奇怪；其隐含在众所周知的肖克利-奎伊瑟效率极限中，解释了太阳能电池的最大理论效率。

最近，我们研究团队和其他人一起研究使用这此类装置，从宇宙中源自地球的热辐射中获取电力的可能性。对于其释放的净辐射，我们称之为“负”光照，以区别于发生在太阳能电池的“正”光照。有些人把这种方法称之为热辐射能量收集。

为了使负光照能够在地球上收集能量，需要将光伏电池发射的辐射波长约束在大气层透射窗口以内。在此窗口以内，电子和空穴可以复合形成向外的辐射；在此窗口之外，辐射会从大气层反射回来，破坏形成负电势的过程。为了对准该透射窗口，我们制造光伏电池时必须用带隙很小的半导体，大约为0.09电子伏特，这对应于透射窗口的边缘，波长为13微米。

这确实能在不使用硅的情况下实现。在我们的第一个实验室试验中，使用了带隙约为0.1电子伏特的碲镉汞（MCT）光伏电池。通过将碲镉汞电池指向温度受控表面，我们证实了负光照效应。该装置允许我们加热温控表面，发射出更多的辐射，即让碲镉汞电池在正光照下工作，然后冷却温控表面，使碲镉汞电池切换到负光照。通过改变温控表面的温度，我们能够通过电池输出电压的相应变化，观察到正光照和负光照之间的转换。

2023年11月重复2017年的概念验证(左图)，用涂有黑色油漆的铝板作为发射器，将其放在隔热箱内，其塑料罩子允许中红外辐射通过。插在隔热箱底部的热电发电机使用发射器作为冷源、金属支架作为其热源，可为LED供电。

在最近的实验中(右图)，将太阳能电池作为发射器。白天，太阳能电池利用阳光发电。同时，热电发电机利用太阳能电池与低温环境之间的热流产生额外的电力。夜晚，发电机发电利用相反的热流，即在高温环境和低温发射器之间的热流发电。

然后，我们把碲镉汞电池拿到实验室外，指向夜空，利用宇宙低温测试此效应。这样做确实可以发电，但功率密度只有64毫瓦/平方米，比采用发射器的方法低得多。

这要归咎于几个因素。首先，碲镉汞电池的带隙有点高，不在理想的透射窗口之内；第二，带隙低的半导体受非辐射过程的影响很大，也就是说，电子-空穴重新组合不会发出辐射。综合起来，这些因素降低了我们的电池可提供的能量。

在几乎完美的情景中，即用我们所发现的最佳材料制作发射器和负照明光伏电池，并解决所有的设计问题后，我们计算出热电发射器系统和负光照方法的最大功率密度约为5 瓦/平方米。这大约是商用太阳能电池在日照峰值（大致相当于在明亮光照的办公室内）情形下的1/30。

在比较现实的情景中，我们认为功率密度可达到1瓦/平方米数量级。这听起来可能不多，但已足够为LED照明和空气质量传感器供电，并持续为智能手机电池充电。从长远来看，如果有一天人类住在遥远的小屋，远离电网，没有电池，此时利用来自地球大气层以外的入射和出射辐射来供暖、降温和昼夜不断地发电，也许并非不切实际的幻想。

作者：Sid Assawaworrarit、范汕洄