誰(shuí)說(shuō)只有太陽(yáng)能發(fā)電？科學(xué)家正在從黑暗中榨取電力！

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買一臺(tái)夜視儀，拆下它的鏡片，貼到太陽(yáng)能電池板上。恭喜你，你發(fā)明了在夜里也能發(fā)電的太陽(yáng)能電池。

聽(tīng)起來(lái)像個(gè)科學(xué)民科的冷笑話？但這正是新南威爾士大學(xué)（UNSW）光子學(xué)領(lǐng)域的頂尖科學(xué)家們正在攻克的課題。因?yàn)槲锢韺W(xué)告訴我們：地球的夜晚，并不是漆黑一片，而是一場(chǎng)巨大的紅外線狂歡。

01 被忽略的能量背影

長(zhǎng)期以來(lái)，我們對(duì)能源的理解幾乎全部集中在“吸收”上：吸收陽(yáng)光、吸收風(fēng)力、吸收水流。我們習(xí)慣于這種“進(jìn)賬式”的思維。

但從物理學(xué)角度看，能量的流動(dòng)永遠(yuǎn)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(huì)憑空消失。在深夜，這些熱量會(huì)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(chǎng)規(guī)模宏大且極其穩(wěn)定的能量交換：地球通過(guò)向外太空“排熱”來(lái)維持自身的溫度平衡。只是長(zhǎng)期以來(lái)，我們從未想過(guò)要在這個(gè)“排出的過(guò)程”中攔截一點(diǎn)能量。

02 熱輻射二極管：讓“吐光子”也能發(fā)電

傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池工作原理我們很熟悉：

• 白天：太陽(yáng)光（高能光子）撞擊硅板，把電子從低能級(jí)“踢”到高能級(jí)，產(chǎn)生電流。
• 夜晚：新南威爾士大學(xué)的內(nèi)德·埃金斯-道克斯（Ned Ekins-Daukes）教授團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)反向概念——熱輻射二極管（Thermoradiative Diode）

傳統(tǒng)的電池是“吞入”光子，而這種新型電池則是通過(guò)“吐出”光子來(lái)發(fā)電。

它是如何操作的？這個(gè)二極管本身帶有地面的余溫，而它面對(duì)的是溫度接近絕對(duì)零度的深空。這種巨大的溫差，讓器件內(nèi)部的電子變得異常活躍。

為了抓住這個(gè)瞬間，科學(xué)家使用了碲鎘汞（MCT）。這種常用于先進(jìn)紅外探測(cè)器（比如夜視儀和導(dǎo)彈追蹤系統(tǒng)）的窄帶隙半導(dǎo)體材料，被重新設(shè)計(jì)成了類似太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)。科學(xué)家在材料內(nèi)部預(yù)設(shè)了一條“單行道”：一側(cè)電子易停，另一側(cè)易流。當(dāng)電子因?yàn)樯岫l(fā)生躍遷、準(zhǔn)備釋放紅外光子時(shí)，它必須順著這條設(shè)計(jì)的方向移動(dòng)。

電子定向動(dòng)了，電流也就產(chǎn)生了。這在熱力學(xué)上被形象地稱為“負(fù)照明”效應(yīng)（Negative Illumination）。

03 從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)實(shí)：它離我們有多遠(yuǎn)？

必須承認(rèn)，這項(xiàng)技術(shù)目前正處于“嬰兒期”。

在悉尼的實(shí)驗(yàn)室里，第一臺(tái)演示裝置產(chǎn)生的功率還非常微小，大約僅相當(dāng)于太陽(yáng)能電池板輸出功率的十萬(wàn)分之一。目前的實(shí)驗(yàn)電量甚至很難點(diǎn)亮一顆LED燈珠，裝置本身也占據(jù)了半個(gè)實(shí)驗(yàn)室。

但為什么科學(xué)界對(duì)此感到興奮？回顧半導(dǎo)體的發(fā)展史，第一塊硅太陽(yáng)能電池在1954年問(wèn)世時(shí)，效率也只有不到6%，而且造價(jià)昂貴到離譜。而熱輻射二極管的出現(xiàn)，證明了“夜間發(fā)電”在邏輯上是完全成立的。

“我們已經(jīng)證明了熱輻射過(guò)程產(chǎn)生電能的科學(xué)可行性，”內(nèi)德·埃金斯-道克斯教授表示，“現(xiàn)在的任務(wù)是通過(guò)優(yōu)化材料和結(jié)構(gòu)，將這一功率提升100倍甚至1000倍。”

如果我們把目光從大型電網(wǎng)移開(kāi)，這種“微功耗、長(zhǎng)效輸出”的特性簡(jiǎn)直是某些領(lǐng)域的救星：

• 航天工程：在極端的晝夜交替環(huán)境下，穩(wěn)定的紅外輻射差可以為衛(wèi)星和探測(cè)器提供無(wú)需儲(chǔ)能的持續(xù)微電力。
• 可穿戴設(shè)備：想象一下，只要你的體溫和周圍環(huán)境有溫差，你的手表或助聽(tīng)器就能從你皮膚散發(fā)的熱量中不斷“偷”電。
• 萬(wàn)物互聯(lián)（IoT）：數(shù)以億計(jì)的傳感器分布在野外或建筑深處，最昂貴的維護(hù)成本就是換電池。一個(gè)只要有溫差就能工作的自給自足系統(tǒng)，將徹底改寫物聯(lián)網(wǎng)的游戲規(guī)則。

05 換個(gè)姿勢(shì)看世界

這項(xiàng)研究真正迷人的地方，并不在于它現(xiàn)在能發(fā)多少毫瓦的電。

它打開(kāi)了一種全新的視角：夜晚不只是能源系統(tǒng)的空白時(shí)段，它同樣是一個(gè)能量正在流動(dòng)的過(guò)程。

過(guò)去我們只關(guān)心如何把能量“抓進(jìn)來(lái)”，而現(xiàn)在，工程師開(kāi)始思考——當(dāng)能量不可避免地要從地球流向宇宙時(shí)，我們能不能讓它走得對(duì)人類更有用一點(diǎn)？

這種對(duì)“流失”的攔截，或許才是人類文明進(jìn)化的下一個(gè)階段。

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