没有阳光也能发电？代替太空光伏的新技术来了

本文来自微信公众号： 环球零碳 ，编辑：小澜，作者：环球零碳研究中心

最近，澳大利亚的最新研究正在挑战我们对“太阳能”的传统认知：在没有阳光的夜晚，竟然也能“利用太阳能发电”！

它不是吸收阳光发电，而是通过向宇宙“散热”来发电，这种技术被称为“夜间太阳能”。

传统太阳能电池的工作原理，是吸收来自太阳的光子，激发电子运动，从而产生电流。而“夜间太阳能”几乎是反着运作的：它不是吸光，而是在物体向外释放红外热辐射的过程中，将其中一部分能量转化为电能。

在夜晚，我们用红外相机俯瞰地球，会发现整个地球在“发光”。这种光并不是人眼可见的光，而是红外辐射，是白天吸收的太阳能在夜晚以热量形式持续向外释放的结果。因此，夜晚的地球就像一个正在向寒冷宇宙不断散热的巨大热源。

澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）光伏与可再生能源工程团队正是利用这个有趣现象，制作了一个叫做“热辐射二极管”的装置，吸收地球在夜晚的热量，并将其转化为电力。

目前，该装置只能产生非常少量的电力——大约比传统太阳能电池板少10万倍。按照实验数据，靠人体热量发的电差不多只能驱动一块电子手表。

这是因为大气中的水蒸气和二氧化碳等气体也会吸收太阳的热量，从而减少地球表面与夜空之间的温差。

但科研团队认为，这项技术的真正潜力不在地球，而在太空。因为太空中没有大气层，而且环境温度极低，物体向外辐射热量的效率大幅提升。这正是热辐射二极管理想的工作环境。

因此，卫星可能是这项技术最早、也最现实的应用方向。

目前，卫星主要依靠太阳能电池板和电池供电。在近地轨道运行时，卫星通常每90分钟绕地球一圈，其中大约一半时间处于阳光下，另一半时间进入地球阴影。太阳能板只能在有阳光时工作，进入黑暗后就只能依赖事先充好的电池。

但是，热辐射二极管提供了一种新的补充思路，可以从卫星表面“榨取”更多电力。

卫星在阳光中吸收的热量，在进入黑暗后会持续向寒冷的宇宙空间辐射，而热辐射二极管正好在这个过程中持续发电。它并不一定取代太阳能板，但可以作为辅助电源，从原本会被浪费掉的热量中“再挤出一点电”。

热辐射二极管的另一个优势在于重量很轻。现在航天技术领域的一个趋势是制造体积更小、轨道更低的卫星，但功能却与大型卫星相同。因此，热辐射二极管又正好派上用场，可以部署在卫星的闲置表面，使整颗卫星在夜晚都能参与发电供能。

这项技术同样引起了美国国家航空航天局（NASA）的关注。不过，NASA的研究人员指出，在近地轨道上，同样供电45分钟，电池成本比热辐射二极管低，因此，只有成本很低很低时，才会使用热辐射二极管。

热辐射二极管真正的用途是在太空中没有热源的地方，潜力会被放到最大。

例如前往太阳系外缘的探测器，或在月球永久阴影区域运行的探测车，几乎无法依赖太阳能。目前，这类任务主要依靠一种特殊的热电发电机供电，通过放射性同位素（如钚）的衰变产生的热量来发电。

但这个发电机一方面很笨重，约45公斤，体积约200升，另一方面放射性材料本身非常稀缺，制造成本高又困难，导致发电机很贵，只适合大型旗舰任务。

如果用结构更简单、质量更轻的热辐射二极管，有可能会成为深空任务中更高效的能源利用方式。虽然在这过程中仍然需要钚来为热辐射二极管提供热源，但由于热辐射二极管的这些特性，可以把供热面板做到更小，效率更高，从而节约钚资源。

热辐射二极管目前采用与夜视镜相同的半导体材料制成，这需要评估它们在暴露于衰变放射性同位素产生的高温下的可行性。目前太空中利用这些同位素作为热源的供电系统，其运行温度约为540°或1000°摄氏度。

研究人员表示，以前从来没有人想过在更高的温度下运行这类半导体，所以我们对它们的寿命知之甚少。但对于太空任务来说，我们希望这些半导体能够持续使用10年、20年，甚至更久。

目前，新南威尔士大学团队已经获得美国空军的研究资助，并计划进行高空气球试验，首次在接近太空环境中验证该技术。同时，研究人员也在尝试使用与传统光伏产业相近的材料体系，以便未来实现规模化制造。

研究团队的判断是，如果研发进展顺利，热辐射二极管有望在未来五年左右进入实际应用阶段。

[1]https://www.cnn.com/science/night-time-solar-energy-power-satellites-spc