草根影響力新視野 夜未央編譯

近年來，隨著能源技術的快速發展，科學家不再僅僅依賴太陽光來發電，而是開始探索一種更獨特、更被忽視的能量來源——地球本身散發出的熱。最新研究指出，一類全新的裝置能透過吸收周遭環境的熱量並將其直接「射」向外太空，進而產生可用的能量。研究團隊表示，這類裝置不需要昂貴或稀有的材料，相當有機會在日常生活中實際應用，從溫室通風到住宅換氣，都可能成為未來的節能解方。

從冷卻材料到發電裝置：輻射冷卻的能量潛力

早在2014年，科學界便發明出一種超薄材料，能不需使用電力就讓建築表面降溫。原理是讓材料吸收熱量後，以特定波段的紅外線將能量向外太空輻射出去。由於這些波段不會被大氣吸收，熱能便能順利離開地球，讓材料周邊自然冷卻。這項技術被稱為「輻射冷卻」。在美國，空調耗電量占建築總電力使用的約15％，因此這類材料被視為減少耗電的潛在關鍵。

科學家接著思考：既然能把熱能送出地球，那麼能不能在這個「能量流出」的過程中順便發電？於是「熱輻射發電裝置」的概念逐漸成形。與太陽能板依靠能量流入相反，這類裝置則靠能量向外流動來產生電力。

加州大學戴維斯分校的電機與電腦工程教授Jeremy Munday指出：「熱輻射裝置就像反向運作的太陽能電池。你不把它朝向像太陽那樣的高溫來源，而是對準天空這樣的低溫背景。」

然而，早期的熱輻射裝置多依賴半導體元件，需要使用稀有或昂貴的材料才能達到高效率，限制了實際應用。於是Munday團隊開始尋找一種更簡單、更不昂貴的方式。

圖片取自:(示意圖123rf)

把史特林引擎搬上夜空：簡單又不靠稀有材料的方案

研究團隊最終看上的是一項已有兩百多年歷史、卻依然常被忽略的機械裝置——史特林引擎(Stirling engine)。這種引擎的核心，是一個密封在氣缸內的氣體。當氣體受熱膨脹、受冷收縮時，會產生壓力變化，推動活塞做功。與燃油引擎需要高溫差才能運轉不同，史特林引擎在處理小溫差時反而非常有效率。

傳統史特林引擎通常依靠觸碰一個高溫物體，再把廢熱排入環境中來運作。但在這次的設計裡，引擎的「熱源」變成周圍的空氣，而「冷源」則是透過輻射冷卻把熱送往太空。

新裝置的設計將史特林引擎與一片能有效輻射熱量的面板結合。研究人員把它放在夜晚的戶外地面上進行一整年的實驗。

結果顯示，大部分月份的夜晚，裝置都能達到超過10°C的降溫效果。這樣的溫差足以讓史特林引擎產生每平方公尺超過400毫瓦的機械功率。團隊甚至成功讓這個裝置直接驅動一台小風扇，也能連接小型馬達產生電流。

雖然這類裝置的輸出功率比太陽能低上約兩個數量級，但Munday強調，這並不是它要取代太陽能。相反地，它最大的價值是能在夜間或沒有太陽能時持續提供低功率、穩定且不須電池的能源。

夜間通風、溫室循環、離網基礎設備：潛在應用廣泛

研究團隊計算後指出，這個裝置能產生的風量大約超過每分鐘5立方英尺(cfm)，剛好達到ASHRAE(美國供暖製冷空調工程學會)要求的最低通風量，以避免健康上的負面影響。這意味著它能用於夜間通風，特別是在不方便使用電力的場所。

此外，像溫室這類需要保持空氣流動、但夜間又不一定有電可用的場景，也可能因這項技術獲益。例如，它能在不使用外部能源的情況下循環二氧化碳，提高植物生長效率。住宅建築的微型換氣裝置，也有機會因這項技術而變得更節能、更便於安裝。

未來，研究人員也期待進一步提升裝置的性能。例如，把引擎內的空氣換成氫氣或氦氣，能降低內部摩擦、提升運轉效率。隨著設計逐步改善，團隊認為這項技術能開啟一個全新的「被動式全天候能源系統」，成為太陽能之外的重要補充，並強化偏遠地區的離網設備。

Munday表示，他們下一步希望在真正的溫室中安裝此類裝置，進行首次應用實驗。團隊也計畫讓裝置能在白天運作，讓其應用更全面。

資料來源：https://spectrum.ieee.org