【精华推荐】能源最前沿：无燃料引擎、多接合硅晶太阳能电池、可弯曲超级电池

重磅！NASA证实无燃料引擎可行：

违背物理定律引争议

研究人员正在努力降低太空航行的成本、提高飞行速度，增强我们的太空探索能力。

　　人们一度以为这款无燃料引擎不可能实现，但它如今离现实又近了一步。图为EmDrive引擎的一款原型机。据悉，EmDrive引擎只需十周就能将人类送上火星。

　　该系统可以产生每千瓦1.2毫牛顿的推力，比霍尔离子推进器的功率小得多，后者的推力高达每千瓦60毫牛顿。

　　新浪科技讯 北京时间11月23日消息，据国外媒体报道，一项新研究指出，看似违背物理定律的EmDrive推进系统确实是可行的。

　　近日一篇外泄的论文显示，科学家正在研发EmDrive引擎原型机，引发了大量争议。如今该论文终于通过了同行评审，正式发表在了美国航空航天协会的《推进与动力期刊》上。论文中介绍了NASA雄鹰工作实验室（Eagleworks Laboratories）开展的一系列成功测试。

　　EmDrive引擎最初由英国研究人员罗杰·肖耶尔（Roger Shawyer）于十几年前发明。该引擎的原理是，让光子微波在密闭的锥体内部反弹，从而在锥体较细的一端产生推力，推动宇宙飞船向前飞行。但从牛顿的运动学第三定律来看，这是不可能实现的，因为任何运动都会产生大小相等的反作用力，而EmDrive引擎不会向外喷射任何废料。（可以联想一下火箭，它们就是通过高速喷出气体和其它物质获得前进的推力的。）

　　据悉，EmDrive引擎只需十周就能将人类送上火星，但专家此前一直认为该想法不可能成真，因为它违反了基本物理定律。但这支由NASA约翰逊航空中心的哈罗德·怀特（Harold “Sonny” White）带领的研究团队的确检测到了微弱的推力。在这项最新研究中，研究人员对该设备在真空中的表现进行了测试，结果发现“前进时、后退时和静止时的推力数据显示，该系统可以产生每千瓦1.2毫牛顿（正负波动0.1）的推力，十分接近该系统在空气中运行的平均性能”。怀特与同事们在论文中指出，这一推力高达太阳帆的100多倍。

　　与太阳帆类似，EmDrive引擎不需要任何推进剂，采用该推进系统的宇宙飞船可通过太阳能帆板产生所需的微波。因此，EmDrive引擎可以大大降低太空旅行的成本，提高飞行速度，帮助我们更好地探索宇宙。

　　研究人员指出，量子力学中的非局域隐变量理论（或导航波理论）可为这些结论提供理论支持。一些专家认为，该研究结果“也许确实能说明一些问题”，但出现该结果的原因可能并不像论文中提出的那样、可以用量子真空理论来解释，而是与一种名叫“马赫效应”的现象有关。

　　“这个问题关系到此次实验的观测结果究竟是真是假。”加州州立大学富尔顿分校的物理学家吉姆·伍德瓦德（Jim Woodward）表示，“我知道保罗·马奇（Paul March，该项目的主要研究人员之一）做了严谨细致的工作，说实话，我觉得他们的实验结果或许真能说明一些问题。”

　　“但他们的观测结果无法用他们提出的理论来解释。那么，背后的原因究竟是什么呢？”此前研究人员提出了两种可能的解释。一种是量子真空理论，即微波在空腔中会将虚粒子推开，从而产生推力；另一种解释则是，微波辐射会作用于引擎内壁，从而产生推力。但伍德瓦德认为，这两种解释都是错误的，因为它们均违背了物理定律。“微波能在空腔中产生推力吗？答案很简单：不能。”伍德瓦德指出。“根据动量守恒定律，任何密闭的纯电磁系统都无法产生推力。量子理论和经典电动力学都遵循这一定律，因此从物理理论来看，这是不可能实现的。”

　　伍德瓦德认为，我们可以用马赫效应来解释EmDrive引擎，这样就不会违反任何物理定律了。伍德瓦德于上世纪90年代率先阐释了马赫效应，即在加速物体所受的力中，有一部分力不会产生动能，而是会转化为势能储存在物体中。这会使物体的静止质量出现波动，从而产生科学家在实验中观察到的推力。

　　但要验证这一理论，科学家还需要用马赫效应理论重复NASA的研究结果。此外，怀特和他带领的研究团队还指出，此次研究仅仅是对EmDrive引擎概念的验证，他们还需要开展进一步测试，排除实验误差的可能性。例如，EmDrive引擎内部的空气可能在实验中受热膨胀，引发了部分观测结果。

　　而除了此次研究之外，EmDrive引擎技术的研发还取得了一系列成功。中国科研人员在2012年就已经对自己的版本开展了测试，怀特和同事们在2013年也取得了乐观的实验结果。怀特指出，如果我们能设法利用亚原子粒子的能量，或许真能使这个异想天开的引擎变成现实。（至于EmDrive引擎内部究竟发生了什么，最初的发明者肖耶尔也有自己的想法，并且他并不认为这违反了牛顿第三定律。）

能“变弯”的超级电池

充电几秒钟 续航顶一周

　　据国外媒体报道，目前佛罗里达中央大学（UCF）的科学团队已经研发出能够存储更多能量的“超级电池”。传统的锂电池充电 1500 次之后性能就开始有不同程度的衰减，而这种超级电容器能够连续使用 3 万次性能都不会下降。

　　“只要用这种超级电容器换掉你手机里的电池，然后再给你的手机充上几秒钟电，接下来你一个星期内都不必再给手机充电了。” 研究人员之一的 Nitin Choudhary 博士介绍。

　　有智能手机的人一般都会遇到的这样的问题：在电池使用大约 18 个月左右，给手机充一次电能维持的时间开始变得越来越短。这说明电池储存电的能力下降了。

　　科学家们一直在研究如何利用纳米材料来提高电池的电容量，希望开发出更强大的超级电容器来更换我们现阶段使用的蓄电池。

　　早先已经证实，二维材料具有很强的储电性能，虽然以往也有人试图向二维材料中加入石墨配方，但效果并不理想。而佛罗里达中央大学的研究人员选择将一种新发明的二维材料应用到电容器中。

　　“现在的大多数研究人员在面临将二维材料与当前电容系统结合时遇到了困难，这也一直是我们行业的瓶颈。我们团队使用了一种简单易行的化学合成方法，能够很好地将两者结合起来。“ 首席研究员 Yeonwoong Jung 表示。

　　该团队研发的超级电容器由几百万条长度仅为几纳米的电线组成，每条电线都被二维材料包裹着。超高的导电性能可以加快电子运动和转移的速度，使电池能够超快速地进行充电、放电。“对于小型设备，我们的材料在能量密度、功率密度和稳定性上都远远超出常规标准。”Jung 介绍。未来，电动汽车等设备也能够使用这种新型电容器。因为它的柔韧性极好，可以弯曲，因此还能与可穿戴设备结合。

　　当然，佛罗里达中央大学的团队还指出，现在离实现超级电池的商业化量产还有一段时间，这款产品更多的是带给电池技术研发一些新的启示。

技术突破 

多接合硅晶太阳能电池效率达30%!

核心提示：硅晶太阳能电池是目前太阳能发电技术的主流，但以目前已大规模商业化的技术而言，其转换效率预期很难超过23%。业界与研究单位持续积极研发各种技术，以突破效率天花板;最新公开的技术证实，太阳能电池效率可突破30%。德国Fraunhofer太阳能系统研究所与奥地利公司EV Group合作，成功以硅晶太阳能电池为基础，加上拥有两个电极的多接合太阳能电池技术，让太阳能电池的转换效率一举冲高到30.2%。

　　硅晶太阳能电池是目前太阳能发电技术的主流，但以目前已大规模商业化的技术而言，其转换效率预期很难超过23%。业界与研究单位持续积极研发各种技术，以突破效率天花板;最新公开的技术证实，太阳能电池效率可突破30%。

　　德国Fraunhofer太阳能系统研究所与奥地利公司EV Group合作，成功以硅晶太阳能电池为基础，加上拥有两个电极的多接合太阳能电池技术，让太阳能电池的转换效率一举冲高到30.2%。

　　Fraunhofer ISE和EVG的研究员透过直接外延片接合工艺将微米级的三五族半导体材料转换为硅材;经电浆活化后，外延片表面的次电池将呈现真空状接合，使三五族次电池表面的原子与硅原子紧密接合，形成以硅材为基础的次电池。

　　透过堆叠磷化铟镓、砷化镓、硅等三种次电池所构成的多接合电池，能吸收更广光谱的太阳光，转换效率也能大幅提升。Fraunhofer ISE和EVG成功使4平方公分面积的三五族半导体/硅材多接合电池之转换效率提高到30.2%，突破了硅晶太阳能电池的理论效率天花板29.4%，并由Fraunhofer实验室检证完成。

　　三五族半导体/硅材多接合太阳能电池的电流与电压变化曲线图

　　目前，这类三五族半导体/硅材多接合电池的成本仍然高昂，三五族半导体磊晶工程和接合技术等都有成本降低空间。Fraunhofer ISE的研究人员表示会继续进行研究，以推动转换效率30%以上太阳能组件问世。

　　夏普类似技术，用于人造卫星和咖啡椅

　　同样以多接合技术来发展高效太阳能电池的，还有日商夏普。夏普今年5月公开与日本NEDO合作的研究成果，透过化合物三接合技术打造了转换效率达31.17%的太阳能光伏电池，为目前全球转换效率最高的技术。

　　夏普的化合物三接合电池层叠磷化铟镓、砷化镓以及砷化铟镓等三层吸光构造，并以特殊的穿隧接合层与缓冲层穿插组合其中，使电池可吸收的光谱更广、吸光效率更高。

　　夏普的化合物三接合太阳能电池，转换效率纪录为 31.17% 。

　　夏普于5月发表的31.17%效率纪录实现于986平方公分的大面积电池上;而在这之前，同样的技术曾在1.047平方公分的小面积电池上创造37.9%的效率技术。

　　过去，夏普将此技术应用于人造卫星上，但今年10月，夏普将其应用于咖啡椅上，并结合蓄电池和USB充电埠，打造出特别的太阳能充电椅，目前已设置在东京的三家Starbucks门市。

新催化剂变二氧化碳为一氧化碳

为制取液态燃料提供思路

　　据麻省理工学院《技术评论》杂志网站15日报道，该院化学家开发出一种新型催化剂材料，可将二氧化碳（CO2）转化成一氧化碳（CO），这是将CO2转化为其他燃料的关键初始步骤。新成果为从主要温室气体CO2中制取液体燃料提供了思路。

　　主导这项研究的麻省理工学院化学系副教授尤嘉世·苏伦德拉表示，目前将CO转化为各种液体燃料和其他产物的方法已经存在，但让CO2持续转化为单一终产物是个难题，而新系统提供了可供选择的一系列具体转化途径。

　　研究团队开发了一种多孔银电极材料可调谐催化剂，其结构为六角形蜂窝状，通过调整材料孔隙尺寸可制成多种催化剂变体，然后根据需求生成含CO浓度为5%—85%的反应产物，且制取效率提高了3倍。调整孔径可以调节催化剂的选择性和活性，但不会改变表面活性位点的化学性质。

　　苏伦德拉称，这一进展只是将CO2转化成可用燃料的步骤之一，且只在实验室中小规模完成系列示范，若要真正发展成制取燃料的实用方法，还有很多工作要做。但“我们很乐观，如果这种转换直接与化石燃料发电厂的排放气流成功相连，就能够人为关闭碳循环，保证CO2不再被释放到大气中。”

　　日本同行评价认为，许多催化剂产品只专注于应用层面的研究，而这篇论文可能对“生产燃料相关重要反应的基础科学有巨大影响，学术价值很高”。

　　据了解，该研究得到了美国空军科学研究办公室和麻省理工学院化学系的支持，是麻省理工学院低碳能源中心的项目，旨在应对气候变化带来的挑战。