东南大学的这项新成果有望助力未来建造月球及火星基地

2021-08-29 09:55:43

  现代快报讯(记者 阿里亚)嫦娥登月、祝融探火、天宫遨游……中国航天的追梦之旅一刻未曾停息。想要到达更远的地方并建立基地,利用太阳能是重要的选项。近日,东南大学机械工程学院陈震教授团队与美国加州大学伯克利分校科研团队合作,在国际能源领域权威期刊《焦耳》上联合发表文章,提出了“热整流”概念,让人类不间断利用太阳能成为可能。

  如何让太阳能24小时供电?科学家想出新办法

  俗话说“万物生长靠太阳”,地球上的生命依靠太阳的能量生存。当阳光洒落在你的肩上,温暖的感觉蔓延开来,你有没有想过太阳的能量来自哪里?如果有一天太阳突然消失,人类将何去何从?

  这个场景在电影《太阳浩劫》中就出现过。影片中,公元2057年,人类赖以生存的“生命之源”——太阳,渐渐失去了它普照万物的能力,提前进入可怕的衰竭阶段。地球因为缺乏光照能源而陷入冰封,全人类濒临灭绝危机。

  “太阳能是来自太阳辐射的能量,也是大自然送给我们的非常理想的热源。”陈震告诉现代快报记者,太阳能是目前最常使用的再生能源之一。可是到了晚上或者阴天,太阳公公就不“营业”了,限制了人类对太阳能的利用效率。

  △ “热整流”原理图

  陈震指出,这是一个很关键的问题。目前普遍的做法是利用蓄电池储存光伏板的日间发电,或利用高热容材料储存白天收集的太阳热量,供给夜间使用。但是这些传统方法效率比价低,而且输出功率也不稳定。为此,科研团队提出了新的可能方案。

  “当前,在电网系统中,首先将周期性变化的交流电送至用电端,而后交流电经‘电整流器’转化为直流电供用户使用是一个被广泛使用的方法。我们由此得到灵感,根据电与热的相似性,在研究热二极管等非线性热学器件的基础上,提出了‘热整流器’的构想。”陈震说,该技术最大的优点是可以提取温度场中随时间变化的最高温和最低温,利用两者间的温差来做功。温差越大,效率越高。

  经过理论和实验验证,相较于传统方法,该构想可以将热-电转化功率提高4-8倍。这一成果让太阳能有了24小时不间断利用的可能。

  未来有望为建造月球及火星基地提供能源基础

  不仅在地球上,太阳能在人类的太空活动中也应用广泛。

  “前不久,中国空间站核心舱天和号成功发射,它两侧的‘翅膀’上就有太阳能电池板。”陈震说,从地球发射出去的航天器需要能量。想到达的地方越远,所需要的能量越多;而携带的能量越多,负载越重,又限制了航天器飞到更远的地方。解决这一悖论的一个方案就是在太空中吸收太阳能作为航天器的能量补给。团队提出的“热整流”概念使得持续且稳定的利用太阳能提供能量补给成为可能。未来,这一“热整流”概念甚至可以应用到月球、火星基地的建设中去,进而为人类进军太空提供持续的能源支持。

  “以月球为例,由于没有大气层,昼夜温差巨大。白天,在阳光直射的地方,温度高达127℃,夜晚温度可低到-183℃。想要在月球上搭建基地,就更需要‘热整流器’这样的装置来持续供能。”陈震说,由于温差巨大,相比于地球,在月球上使用太阳能更好。

  “将来,我们可以坐着宇宙飞船把热整流器带到月球上,这样一来就能就地取材便捷利用太阳能了。”对这一天的到来,陈震信心满满。他告诉现代快报记者,目前,该实验室正在搭建可以在户外工作的原型机,寻求进一步结论。在实际应用当中,最大的难点是设计高性能的“热二极管”或“热开关”,科研团队正在试验多种方案。

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