新的固態硅設備可能有一天會為太空任務提供動力

新的固態硅設備可能有一天會為太空任務提供動力

直接將電能轉化為熱能很容易。它經常發生在你的烤麵包機里，也就是說，如果你經常做吐司。相反，把熱能轉換成電能，並不容易。

來自桑迪亞國家實驗室的研究人員已經開發出一種小型硅基設備，它可以利用以前被稱為「餘熱」的物質，並將其轉化為直流電源。他們的進展最近發表在《物理評論》上。

「我們已經開發出一種從廢熱中回收能量的新方法。汽車引擎產生大量的熱量而熱量只是浪費，對嗎?想像一下，如果你能把發動機的熱量轉換成混合動力汽車的電能。這是朝著這個方向邁出的第一步，但還需要做更多的工作。

「在短期內，我們希望製造一種緊湊的紅外電源，或許可以取代放射性同位素熱電發電機。」這種發電機被稱為RTGs，用於為空間任務中的感測器供電，這些感測器無法獲得足夠的直射陽光來為太陽能電池板供電。

大衛的設備是由普通和豐富的材料製成的，例如鋁、硅和二氧化硅(或玻璃)以非常不尋常的方式組合在一起。

硅器件捕獲、通道並將熱能轉化為電能。

這個設備比小指小，大約1/8英寸長1/8英寸，厚度只有一角硬幣和金屬光澤。頂部是鋁，上面的條紋大約是人類頭髮寬度的20倍。這個圖案雖然太小了，肉眼看不到，但它是用來接收紅外輻射的天線。

在鋁的頂部和硅的底部之間有一層非常薄的二氧化硅。這一層大約有20個硅原子厚，比人類頭髮薄1.6萬倍。該圖案和蝕刻的鋁天線將紅外輻射傳輸到這個薄層。

被困在二氧化硅中的紅外輻射會產生非常快的電振蕩，大約每秒50萬億次。它以不對稱的方式推動電子在鋁和硅之間來回運動。這個過程叫做整流，產生凈直流電流。

這個團隊把它的設備稱為一個紅外的rectenna，一個整流天線的合成器。它是一種固態設備，沒有運動部件堵塞、彎曲或斷裂，也不需要直接接觸熱源，這可能導致熱應力。

紅外rectenna的生產使用了通用的、可伸縮的過程

該論文的第一作者、電氣工程師喬舒亞·申克(Joshua Shank)說，由於該團隊用集成電路行業使用的相同工藝製造出了紅外直腸線，因此它的可擴展性很好。

他補充說，「我們有意將重點放在可伸縮的常用材料和過程上。從理論上講，任何商業集成電路製造設備都可以製造這些rectennas。

這並不是說創建當前設備很容易。負責工藝開發的製造工程師羅布·賈勒基(Rob Jarecki)說:「在發動機罩的下面有巨大的複雜性，設備需要各種各樣的加工技術來製造它們。」

Jarecki說，最大的製造挑戰之一是在硅中加入少量其他元素，或者摻雜這些元素，使其像金屬一樣反射紅外線。「通常情況下，你不會把硅滴死，也不會試圖把它變成金屬，因為你用金屬來製造硅。」在這種情況下，我們需要在不破壞材料的情況下儘可能多地摻雜它。

這些設備是在Sandia的微系統工程、科學和應用綜合體中製造的。該團隊已經獲得了紅外rectenna的專利，並已申請了其他多項專利。

該研究小組在《物理評論應用》(Physical Review Applied)雜誌上報道的紅外雷氏體的版本，每平方厘米產生8納米功率，使用的是一盞專業的熱燈，溫度為840度。就環境而言，一個典型的太陽能計算器使用大約5微瓦，所以他們需要一張比標準紙張稍大一點的紅外圖像來給計算器供電。因此，該團隊有許多未來改進的想法，使紅外線rectenna更有效。

未來的工作是提高紅外偵察效率。

這些想法包括製作rectenna的頂部圖案2D x而不是一維條紋，以吸收所有偏振的紅外光;將整流層重新設計為全波整流，而不是目前的半波整流;在更薄的矽片上製作紅外直紋，以減少由於電阻造成的功率損失。

通過改進設計和提高轉換效率，單位面積的輸出功率將會增加。戴維斯認為，在五年內，紅外雷氏管可能是一個很好的替代RTGs緊湊型電源。

Shank說:「我們需要繼續改進，以與RTGs相媲美，但是rectennas對於任何需要長期可靠工作的應用都是有用的，在這些應用中，你不能只需要更換電池就可以了。」然而，我們不會成為太陽能電池板的替代能源，至少在近期內不會。

戴維斯補充說:「我們一直在努力解決這個問題，現在我們開始看到電力轉換取得了相對較大的進展，我認為有一條路可以替代熱電。」到達這一點感覺很好。如果我們能擴大規模，改變世界，那就太好了。

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