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非平衡軟物質特集: 世界最小的熱引擎

Scimage
・2011/08/21 ・776字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 475 ・五年級

工業革命是從對熱與動力的關係開始,因為發現了怎麼把熱有系統的轉成機械能,於是熱機開始推動了各種機器,把人從勞力中解放,才讓人類的社會進入了一個新的時代。傳統的熱機基本原理是經由熱機中介質的膨脹收縮,把能量由熱的流動中擷取能轉換成機械能的部分來使用。但是這樣的熱流動跟機械能的轉換其實發生在更多地方,不是只有像引擎那樣的設計才能做到。其中有一類的運動是因為不均勻加熱而讓物體表面產生流體的運動,當這樣的效應以微觀層次來看的時候,只有一個粒子放在流體裡,溫度梯度讓小粒子開始跟表面的流體有相對堆進,就會看到所謂的熱泳動現象-粒子會在溫度梯度中運動 -這個過程同樣是由熱流來產生機械能。

利用這樣的原理,影片中設計出一種單邊鍍金的玻璃小球,大小只有萬分之一公分。因為照射光之後,鍍金的那邊會因為吸收光而被加熱(就像陽光下金屬會很燙一樣),所以會讓周圍的液體開始往鍍金那方向流動,粒子自己則往沒有鍍金的方向跑。利用這種效應,只要把兩顆這樣的粒子接在一起,就變成了一個小旋轉引擎,只要一照光就不停的旋轉。影片中可以看到旁邊沒有固定的粒子正在做布朗運動,而被固定住的小馬達(有一半黑黑的粒子)也因為布朗運動而不停的前後擺。當一照光之後,固定的粒子開始旋轉,因為熱梯度產生的液體流動也把那些晃動的粒子吹開。這實驗證實了這樣的效應存在,只要好好設計也有很大的效果。這研究雖然設計簡單,但卻是貨真價實的熱引擎,或許一些微小機械設計有一天都能基於這樣的熱功原理被做出來。其實在自然界的生物中,各種生物分子也不停的消耗能量並轉換成各種分子運動,或許是細胞骨骼的變動,許是酵素的催化震動。也許過不了多久,熱機的概念跟粒子的非平衡運動就會走到跟生物分子相遇的那天了!

八月紀念特集: 屬於scimage的故事 – 非平衡軟物質 目錄

本文原發表於科學影像Scimage

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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超微小的矽壓阻式熱引擎
科景_96
・2011/02/10 ・745字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 540 ・八年級
相關標籤: 熱引擎 (2)

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[Original publish date:Jan 23, 2011]

編輯 HCC 報導

荷蘭物理學家利用矽壓阻材料[piezoresistive silicon]設計了超小的熱引擎,可能應用於鐘錶機構或機械感應器。原始論文:“Piezoresistive heat engine and refrigerator”,Nature Physics (2011) , doi:10.1038/nphys1871

熱引擎一般依賴液體或氣體的膨脹與收縮而運作,當元件體積變的更小,工程師發現若需要獲得合理的功率輸出,要設計能處理高壓與流體速度的結構是相當的困難。由卡諾熱機方程式得知,效率需要極大的溫差,所以元件變小時,效率跟著降低,所以液體或氣體驅動的熱引擎體積很少會小於10的7次方 立方微米。

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荷蘭NXP Semiconductors公司的Peter Steeneken與其同僚使用以結晶矽製作的壓阻塊克服了上述限制。壓阻材料的電阻隨著外加壓力而變化,受壓時,電阻增加,材料膨脹時,電阻降低。

Peter Steeneken研製的微小熱引擎包含一個平坦的結晶矽共振器,體積為1125 立方微米,於一端帶有兩支平行樑,體積很小,僅0.34 立方微米。共振器外觀很像附有一個重底座的音叉。因為兩支平行樑根部固定在基底上,所以當其中的一支樑以毫安培直流電加熱時,整個元件會上下撓曲。

元件操作的關鍵點為樑的溫度、壓縮與電阻之間的相互作用。當元件受壓時的電阻最大,電阻隨之增加溫度。不過升溫讓樑延伸,電阻跟著下降,溫度也往下落。低溫再次讓樑受壓,整個過程以超過1.2 MHz的頻率進行振盪運動。

Steeneken認為機械元件較單純的電子震盪器更為穩定,所以此元件可以替代鐘錶裏的石英震盪器與電子放大器,Steeneken也相信由於震盪頻率隨著質量大幅改變,因此該元件可以當作感應器。

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甚至此熱引擎可以兼作致冷機[refrigerator],此時兩支平行樑不與電流源連接,而接上電壓,所以經由布朗運動施加在元件上的震盪被減弱,因此能冷卻週遭環境。一個微小的致冷機能用來冷卻其他的機械感應器或鏡面,降低熱噪音,從而提高精度。

Steeneken的熱引擎係以電流加熱,Oregon State University工程師Richard Peterson認為若Steeneken能以熱源驅動震盪器,論文將更有見地。

參考來源:

科景_96
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