工程师研发7大前沿技术，让太阳能电池效率翻番？

美国宇航公司（Astronautics Corporation of America）的研究人员正在研发一种不使用压缩机，而是基于磁体的新型制冷机。从某种程度上来说，所有磁性材料都会在被置入磁场后升温，在移出磁场后降温，这一特性被称为"磁致热效应"（magnetocaloric effect）。原子通过自身振动贮存能量；而当外加磁场将金属中的电子有序排列，并阻止它们自由移动时，金属原子的振动就会加强，温度随之增加。移除磁场后，温度则会降低。虽然这一效应早在1881年就被发现，但它的商用价值却一直被人忽视。这是因为，从理论上来说，只有在极低的温度下使用超导磁体，才能将这种效应最大化到产生可利用的效果。然而在1997年，美国能源部爱艾姆斯实验室（U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory）的材料科学家偶然发现，一种由钆、硅和锗构成的合金能在室温下显示出巨大的磁致热效应。自那时起，美国宇航公司还陆续把注意力集中在具有同样性质的其他合金上。

　　目前，美国宇航公司正在设计一种空调，目标是为面积约100平方米的公寓或住宅制冷。这种空调里有一个小而平的、由某种此类合金制成的多孔楔形体构成的圆盘。在圆盘两侧，固定着一个环形永磁体。磁体中空，里面分布着强磁场。当圆盘旋转时，每一个磁致热楔形体会通过这个通道而升温，然后继续转出磁场范围而冷却。在系统内部循环的液体被这些旋转的楔形体反复加热和冷却，冷却后的液体就能从房间中吸走热量。精心设计的磁体能够防止磁场从设备中溢出，所以它不会影响到附近的电子仪器或人身上的心脏起搏器。

　　在传统制冷机中，核心部件是压缩机。而在磁体制冷机中，核心部件是带动圆盘旋转的马达，而马达通常要比压缩机的能量效率高得多。美国宇航公司的目标是在2013年制造出一台原型机，能在达到同样制冷能力的情况下将耗电量降低1/3。磁体制冷机还有一个额外的显著优点：它只是用水来输送热量，"你没法找到比水更环保的材料了，"美国宇航公司技术中心经理史蒂文·雅各布斯（Steven Jacobs）说。

　　但是别说把这项技术实际应用于冰箱和冰柜，即便是仅仅制作一台原型机，也需要跨过许多障碍。首先，如何控制水流通过多孔的楔形体就是个棘手的问题，因为圆盘要以每分钟360~600转的速度高速旋转。此外，磁体由一种昂贵的钕—铁—硼合金制成，因此，如果要想商业化生产，在仍能保持提供足够强磁场的前提下尽可能小型化也是必要的。正如加拿大维多利亚大学（University of Victoria）的机械工程师安德鲁·罗（Andrew Rowe）所说："这是一项高风险技术，但它有巨大的应用潜力，而且就其突出的性能而言，也值得去努力。"

　　研究人员还在试验其他一些特殊制冷技术。美国Sheetak公司，正在研发一种完全不使用制冷剂的制冷设备，它依赖于一种所谓的"热电材料"（thermoelectric material），充电时，这种材料的一面变冷，而另一面变热。不管怎样，降低燃料消耗和减少温室气体排放总会为我们带来一个清凉的世界。

　　排放处理

　　更清洁的煤炭

　　用盐来吸收火电厂排放的碳

排放处理更清洁的煤炭

　　煤炭是美国最便宜、最丰富的能源，但由于含碳量最高，它也是引起气候变化的主要原因。工程师设计出了多种途径和方法，以在火力发电厂排放废气前清除掉其中的二氧化碳，但这么做的最大问题是，这些工序会消耗煤炭燃烧所产生能量的30%，让所谓的"可清洁燃烧煤炭"概念难以令人信服。

　　然而，清除废气中二氧化碳的设想确实令人向往，所以，美国能源部高级研究计划局能源项目部以及其他一些机构，一直都在为此类可能降低该工序能耗的研究提供资金支持。

　　其中，美国圣母大学能源中心（University of Notre Dame’s Energy Center）的一种设计尤其引人注目，他们使用了一种被称为"离子液体"（ionic liquid，本质就是一种盐）的新型材料。这种材料的第一个好处是，它所能吸收二氧化碳的量，两倍于其他化学结构类似的碳吸收材料。另一个优点是，在吸收过程中，这种盐会经历一个从固态到液态的相变，这种变化释放的热量能被回收利用，将碳从液体中汲出，便于后续处置。

　　"我们的模型显示，应该能将（除碳工序的）能耗降低到22%或23%，" 能源中心主任、化学工程师琼·F·布伦内克（Joan F. Brennecke）说，"我们希望最终能降低到15%。"她的研究团队正在制造一个实验室规模的装置来演示这项技术。

这一技术听起来还只是个理论设想，事实上也的确如此。"这是一个全新的概念，"布伦内克承认，"因为这些材料完全是最新的，"它们出现只有