華人科學(xué)家開發(fā)出新型熱離子能量轉(zhuǎn)換器

據(jù)《麻省理工科技評論》報(bào)道，華人科學(xué)家潘世昂領(lǐng)導(dǎo)的Modern Electron 公司，利用計(jì)算機(jī)模擬和新材料技術(shù)，開發(fā)了新型熱離子能量轉(zhuǎn)換器。該產(chǎn)品可嵌入煤氣灶、燃?xì)鉄崴鞯燃矣卯a(chǎn)品中，將這些設(shè)備的余熱轉(zhuǎn)化成電能，降低家庭的整體用電成本，還可以與間歇性的太陽能和風(fēng)能形成互補(bǔ)系統(tǒng)，減少電力行業(yè)的溫室氣體排放。

熱離子能量轉(zhuǎn)換器是熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心部件之一，主要由放出電子的高溫電極 (發(fā)射極) 和與之面對面放置的低溫電極 (接收極) 構(gòu)成。兩片金屬電極之間是真空狀態(tài)，任何來自外界的熱量聚集，會激發(fā)其中一塊金屬板上的電子越過縫隙，到達(dá)另一塊溫度更低的金屬板，從而產(chǎn)生電流。在太空中長時(shí)間工作的衛(wèi)星，曾經(jīng)有部分搭載熱離子空間核電源，將核反應(yīng)堆裂變產(chǎn)生的熱能通過熱離子能量轉(zhuǎn)換器，直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?0 世紀(jì)美蘇太空競賽開始，人類對這一技術(shù)已有長期的研究。 但是，要將太空中使用的熱離子能量轉(zhuǎn)換器帶入家庭，關(guān)鍵是提升能量轉(zhuǎn)化效率并降低能量轉(zhuǎn)化時(shí)所需要的溫度。要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化效率的提升，必須提高電子離開發(fā)射極的效率和電子進(jìn)入接收極的效率。轉(zhuǎn)化效率與電極表面材料、電子走向密切相關(guān)。由于電子并非從發(fā)射極出來，徑直地飛向接收極，完成能量轉(zhuǎn)換，而是大量電子一起出現(xiàn)在同一個(gè)真空環(huán)境中，因帶有負(fù)電荷而互相排斥，控制其走向是一個(gè)相當(dāng)棘手的難題。大約 20～30 年前，該領(lǐng)域的科學(xué)家曾對熱離子能量轉(zhuǎn)換器發(fā)起集中攻關(guān)，由于當(dāng)時(shí)無法掌握電子在其中的運(yùn)動，只能一次又一次改變設(shè)計(jì)，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，需要用很長的時(shí)間探索效率更高的設(shè)計(jì)方案。

Modern Electron 公司開發(fā)了專門的軟件，借助并行計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，短時(shí)間內(nèi)即可在軟件上對電子的運(yùn)動進(jìn)行超過 50 萬次的模擬，從而更好地掌握了電子運(yùn)動的規(guī)律和走向控制技術(shù)，并首次使用普通廉價(jià)材料制成了熱離子能量轉(zhuǎn)換器，其效率達(dá)到了傳統(tǒng)熱離子能量轉(zhuǎn)換器的 2～3 倍。潘世昂也因此入選《麻省理工科技評論》2020 年度全球“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”全球榜單。

（王 波）