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闪电可以作为人类的能源来源?这真的可行吗?

2024-02-23 15:50:28 Bill Schweber 阅读:
我们一直在寻找风电、水力、太阳能等各种表面上看来“免费”的能源。事实上,“雷击”也是一种潜在的能量来源,很可惜却被浪费了…

我们一直在寻找各种表面上看来“免费”的能源,像是风电、水力、太阳能,甚至振动和摩擦等较不密集的能源。事实上,“雷击”(lightning strike)虽然经常存在着破坏性,但也是一种潜在的能量来源,很可惜却被浪费了。pDKednc

雷击的发生机率之高令人惊讶。欧洲第三代气象卫星(European Meteosat Third Generation)于2022年12月发射升空后,在该卫星上的摄像机日夜追踪并记录到地球表面约80%以上的雷击,甚至包括最小和最快的雷击。pDKednc

这种能源浪费的情况会改变吗?不太可能——但我们知道,在技术和进步方面,“永远都不要说不可能”。去年1月,一支欧洲团队在《自然·光子学》(Nature Photonics)期刊上发表了一篇有趣的论文,标题简单到令人讶异:“激光引导雷击”(Laser-guided lightning)。论文中详细介绍了法国、瑞士等国组成的研究团队如何利用高功率激光的重复脉冲,引导远在两英里之外的雷击路径,使其落至瑞士山地装置附近一根相对较小的接地棒上,如图1所示。pDKednc

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图1:a)位于瑞士Säntis Mountain山顶的实验设置布局;b)实验照片,其中激光束的二次谐波用于显示激光路径。pDKednc

(来源:Nature photonics, 2023)pDKednc

对此较可能的解释是激光脉冲使得空气过热,导致空气沿着激光路径导电(图2)。pDKednc

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图2:2021年7月24日,在激光照射下记录到的闪电事件快照。pDKednc

(来源:Nature photonics, 2023)pDKednc

这种引导雷击路径的能力带来了一个显而易见的问题:为什么不将这些能量导入某种能量储存系统(ESS)呢?毕竟,这些能量是真正接地的,不然就会被浪费掉。我甚至看过还有所谓的“专家”建议将它作为一种无成本/低成本的能量来源。pDKednc

要是能这么简单就好了。由此产生的第一个问题是:雷击的能量和功率有多大?这个答案的范围很广,但据美国加州洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)空间与遥感小组的Tess Light指出,闪电的“威力和速度都相当惊人,每次雷击都能在短短几微秒内提供约5万安培的电流,产生高达兆伏级(megavolt)的冲击。”pDKednc

此外,虽然每次雷击都能产生大约50或100亿焦耳(J)的能量(1GJ = 109焦耳),但其中大部分能量都在加热空气中损耗掉了,因此这并不是“可捕捉”的电能。为了让您对这规模有一定的了解,一个大型电动车(EV)电池的容量约为100千瓦时(kWh),或3.6×108焦耳。因此,尽管闪电看起来能量很大,但实际上并没有那么多,而且还需要伴随有大量的雷击。pDKednc

那么,为什么不化繁为简,使用完全被动式的简易避雷针呢?答案与避雷针的作用范围有关。pDKednc

虽然确切的数字取决于大气、地面和其他条件,但一般来说,标准避雷针可以在与其高度相等的半径范围内吸引闪电。因此,你需要一片大规模的避雷针“农场”,结合大量的土地面积和高大的避雷针。基于激光的方案增加了捕捉面积,从而降低了对避雷针高度的要求。pDKednc

此外,还有另外一个问题:从能量平衡的角度来看,通过激光引导闪电路径是否值得?即使在技术上是可行的,激光方案也有其自身的明显缺点,因为它本身需要消耗大量的能量。研究人员使用了一种掺镱钇铝石榴石(Yb:YAG)激光器,它能够发出能量为500MJ的皮秒脉冲,波长为1,030nm,重复频率为1kHz。换句话说,驱动激光的能量成本大于捕捉闪电的能量成本。pDKednc

这种不平衡在某种程度上类似于美国实验核聚变的国家点火装置(NIF)最近的核聚变“成功”报告。他们将数百个激光产生的约2MJ的能量集中至一个微小的核聚变燃料胶囊上,并引发了一次爆炸,产生约3MJ的能量。虽然这在许多方面都是一项突破,而且花费了数年的时间(和金钱)才得以实现,但激光驱动子系统本身的效率仅为1%,因此,该项目总输入能量需要大约200MJ,这可不能和成功划上等号。pDKednc

即使功率均衡有利于捕捉闪电,也仍然无法解决捕捉闪电与任何已知ESS之间的另一个棘手问题。究竟要如何将这么大的功率(能量传输速率)输入电池中?现有的任何电池或ESS都无法承受如此巨大的电涌,而这也正是问题的核心。pDKednc

当然,这类研究的下一步几乎总是离不开需要“更大规模”和“更多的钱”。在新闻报道中援引其首席研究员的话,他们希望将激光引导闪电路径的距离增加到数百米。理论上,如果使用更大、更强的激光器,就可能实现这一点,但在这次演示中所使用的激光原型已耗资高达20亿欧元了。如果这已经超出了您的预算,可能还是必须坚持使用一些更简单的东西,例如四晶体管DIY闪电探测器,请参阅“以模拟为中心的简单电路拓展STEM视角”(Simple analog-centric circuits expand STEM perspectives.)一文。pDKednc

这整个捕捉闪电能量的报道还有一个有趣的历史渊源。公元1752年6月,早在我们今天使用的电流出现之前,本杰明·富兰克林(Benjamin Franklin)在他著名的“风筝实验”中,即已确实在莱顿瓶(Leyden jar,一种早期电容器,用于储存静电的装置)中捕捉到了闪电能量。这并不是神话或传说,因为当时有正确的记录。此外,在维基百科的“Kite Experiment”项目中也有清楚的讨论以及可靠的参考链接。pDKednc

为了验证云中是否带有大量电荷,富兰克林将风筝的“下引线”拆开,将沾湿的麻绳连接莱顿瓶以利于导电,并由他儿子手持连接至所放风筝的另一根绝缘丝线棒。富兰克林和儿子都站在遮雨的棚子内,以免被淋湿。当绝缘丝线的毛竖起,便可得知云中确实带电荷,在当时人们还不了解电(静电或其他电力),也没有任何实际用途之前,他成功展示了静电和闪电之间的关系以及云中放电的概念。pDKednc

至于今天所讨论的闪电能量收集,情况似乎也是一样的:无论起初看起来多么吸引人,大规模的能量收集并不容易,而且事实上那里也绝对没有“免费的午餐”。pDKednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Lightning as an energy harvesting source?,由Susan Hong编译)pDKednc

责编:Ricardo
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