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太陽能電池裡加病毒?!有效!

cbug
・2011/04/28 ・538字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 564 ・九年級

在傳統的太陽能電池中,陽光被矽或二氧化鈦電池吸收,釋放出電子,而這些電子會跑去電子收集電極(electron collector, or electrode)。這些太陽能電池的一個問題是,很多電子會無法找到往電子收集電極的路。

奈米碳管(carbon nanotubes )可以被用作這些電子和電極間的橋樑,但奈米碳管會傾向糾結成一團,降低效率並產生短路的情形。研究者現在透過基因改造創造一種病毒,可以用以穩定奈米管的位置,並增加將近三分之一的能源轉換。「一點點的生物學就有很大的幫助」研究團隊的領導人 Angela Belcher 提到,整個病毒式奈米管的連接層,只占了電池完成品的0.1%的重量。

這個叫作 M13 的病毒以縮氨酸(peptide)來維持奈米管的位置,而這是蛋白質的基礎材料。單一個病毒可以支承五到十個奈米管,每一個奈米管都藉由該病毒的300個縮氨酸分子穩固地維持在原位。

除此之外,這些病毒被設計以產生二氧化鈦,對於以相同材料製作的太陽能電池頗有幫助,而此病毒模板裝配線可以讓研究者在二氧化鈦的奈米粒子和奈米碳管間建立起較好的接觸,讓光電子(photo-generated electrons)移動更快,更有效率。

資料來源:Materials Scientists’ Solar Cell Has a Virus—and That’s a Good Thing-DISCOVER(April 26th, 2011)

相關TED演講:Angela Belcher: Using nature to grow batteries

編譯:cbug

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cbug
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各位先進大家好,很高興加入PanSci。希望專欄 Nutrition Buiscuits 能如其名,跟大家分享小份量卻高營養的文章。

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蠶繭電池是綠能的未來?!
胡中行_96
・2022/08/25 ・2454字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

一襲華美的傳統印度紗麗,在燈光下反射出璀璨的光芒。仔細收縫的布邊,附了一只小標籤,上頭繡著飛蛾般的圖樣。那是印度絲綢標誌組織,授予的真絲證明。[1] 買衣服看布料成份,天經地義。不過,如果有一天市面上販售蠶繭電池,廠商是否也會標榜百分之百純天然蠶絲? 2022 年 8 月的《科學報告》期刊上,二名印度學者詳細解說他們攜手打造蠶繭電池的流程,以及背後的科學原理。[2]

將來蠶繭電池廠商,也可以申請印度絲綢組織的真絲證明嗎?圖/Satish Krishnamurthy on Flickr(CC BY 2.0

蠶繭電池的製作

首先,他們弄來一些印度當地家蠶(Bombyx mori)的繭,攤在陽光下曝曬,以確保裡面沒有活著的蛹。吹掉灰塵後,再把蠶繭儲存在木櫃子裡備用。接著,於 25 毫升的再蒸餾水中,加入 12.5 公克的食鹽(NaCl),然後把蠶繭丟進去浸泡 24 小時。另外,也用雷同的方法,準備分別泡了再蒸餾水和氯化鉀(KCl)水溶液的兩個組別。[2]

(a)每個蠶繭都被切成兩份,做一顆蠶繭電池需要 8 份。[2]

(b)切好的蠶繭內面緊實地套住鋁片;外頭則綑上銅線。鋁是負極;銅為正極。[2]

(c)將組裝好的 8 份蠶繭串起來,放在吹風機和圓底瓶之間。上頭吹熱風;下面供應水蒸氣。[2]

(圖/參考資料 2,Figure 2)

經過一番測試之後,研究團隊最滿意食鹽水這組的結果,決定再做一個進階版的裝置:他們將蠶繭電池放在熱水壺的壺嘴,並接上 LED 燈泡。熱水大滾,水壺裡冒出來的蒸氣觸發蠶繭電池,燈泡就會發光,像下面影片中看到的模樣。[2] (畫面長寬比例差距過大,建議開全螢幕較方便觀賞。)

安裝了蠶繭電池和 LED 燈的熱水壺。來源:參考資料 2,Supplementary Video S1

蠶繭電池的原理

(a)蠶繭是一層內外結構不對稱的絲質薄膜。圖中黃色代表內面;褐色則為外側。[2]

(圖/參考資料 2,Figure 9a)

(b)此為蠶繭薄膜切面的局部放大圖。由內(黃色)而外(褐色),蠶繭上面細孔通道的尺寸逐漸變大。[2]這個結構平時的功能,是令水分子和二氧化碳得以快速地排出,但卻只能緩慢地滲入。前者確保蠶繭幾乎防水;後者則避免類溫室效應的發生。[3]

(圖/參考資料 2,Figure 9b)

(c)圓底瓶供應的水蒸氣,被困在細孔通道中。當吹風機為蠶繭加熱,水分子與蠶繭蛋白作用,H3O+ 等電荷載體應運而生。它們會因為通道內外寬窄帶來的水壓不對等,而朝單一方向運動。[2][註]

(圖/參考資料 2,Figure 9c)

(d)鋁和銅基於電負度(electronegativity)不同,也就是吸引電子的能力有所差異,更加劇了方向性移動的效果。[2, 4] 另外,食鹽水能增加電荷載體的濃度,促進蠶繭電池導電的效能。[2]

(圖/參考資料 2,Figure 9d)

吹風機的熱風與圓底瓶的水蒸氣,讓水分子迅速穿過蠶繭的細孔通道,也就是快速充電的意思。[2] 這個乾溼無限循環的靈感,源自蠶繭所處的自然環境。蠶繭通常吊在樹上,樹葉會給它滋潤的水氣,但陽光又導致水份蒸散,二者不斷改變溫度與濕度。然而,當蠶繭被放在攝氏 5 和 50 度的環境下,裏頭還能分別維持 25 與 34 度。[3] 在調節溫度的過程中,從溫差產生電能,便是熱電效應(thermoelectric effect)的展現。[2, 5] 當溫溼度都極高,充飽電的蠶繭就會用類似腦波的信號,通知蛾該退房了。[2, 3] 這也就是蛻變的現象,具有季節性的原因。[3]

(蠶的一生。圖/Internet Archive Book Images on Flickr(Public Domain))

蠶繭綠電建築

蠶繭電池製作起來雖然事倍功半,但是研究團隊寄予它極高的期望。充電靠水蒸氣;導電用食鹽,二者都是地球上容易採集的資源。因此,他們認為蠶繭電池的前景,必然優於目前市售的儲電或發電裝置。是不是純天然蠶絲不要緊,重點是希望未來能夠人工模仿蠶繭的結構,以生態友善的方式,建造會自體發電的生物聚合建築。如此一來,就能輕易滿足偏遠地區、戰略要地以及其他地方的用電需求。[2]

  

備註

原文專業的說法是,內外寬窄不對稱的細孔通道中,水壓梯度會導致電位差,進而使電荷載體出現方向性的運動。

參考資料

  1. Silk Mark – A Quality Assurance label (Silk Mark Organisation of India, 2017)
  2. Jangir H & Das M. (2022) ‘Designing water vapor fuelled brine-silk cocoon protein bio-battery for a self-lighting kettle and water-vapor panels’. Scientific Reports, 12, 13999.
  3. Tulachan B, Srivastava S, Kusurkar T, et al. (2016) ‘The role of photo-electric properties of silk cocoon membrane in pupal metamorphosis: A natural solar cell’. Scientific Reports, 6, 21915.
  4. 電負度(國立臺灣大學 科學Online,2010)
  5. Chandler DL. (2010) ‘Explained: Thermoelectricity’. Massachusetts Institute of Technology.
胡中行_96
49 篇文章 ・ 16 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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氣溫越高,太陽能板的發電效率就越低?——還得考慮日照量的變化!
台灣科技媒體中心_96
・2022/08/21 ・2500字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

你覺得,接受到的網路資訊很亂嗎,而且重要的科學都沒有被報導嗎?你也認為,生活中充斥著偽科學,錯誤訊息百出嗎?更無奈的是,在不少議題上,人人都可自稱專家,但發表的見解卻都沒有根據…

真相與科學被謠言屏蔽,這是不分世代面臨的資訊亂象,台灣科技媒體中心跟你一樣擔憂,所以積極號召更多台灣科學家站出來,致力挖掘科學議題的報導素材給媒體,而你的支持可以成為 SMC 堅強的後盾。定期定額挺 SMC,邀請大家與我們一起踏出改變科學新聞的第一步!

太陽能板的標準測試條件:25°C

7 月 25 日,台灣媒體引述歐洲新聞台(Euronews)報導,指出歐洲連日高溫與熱浪,可能會阻礙太陽能板發電。新聞指出太陽能板多數在理想溫度(25°C)的氣溫下測試效能,而這也是最佳發電條件。若高於這個溫度,太陽能板的發電效率會開始下降。對此,台灣科技媒體中心邀請專家解釋台灣的太陽能板發電效率。

臺灣的「矽基太陽能板」有同樣的問題嗎?

台灣科技大學電子工程學系特聘教授 魏榮宗

Q1:現在台灣設置最廣泛的矽基太陽能板,也是在攝氏 25 度的氣溫情境下,測試發電效率嗎?如果是的話,測試情境與實際發電效率的落差有多大?如果不是,台灣的測試情境為何?

為了統一評估太陽能板的發電效果,國際上規範太陽能板標準測試條件(Standard Test Conditions , STC)為 25℃、照度 1000W/m²,AM1.5 標準光譜[1]之情境。依照目前的太陽能板測試數據,溫度每上升 1℃,太陽能板電壓就會變小,導致輸出功率下降 0.35%[2];但溫度越低,輸出功率反而增加。台灣夏天溫度高,太陽能板的表面溫度約在 45~65℃ 之間,換算下來,約降低 7% 至 10.5% 發電功率。

台灣夏季炎熱,而溫度上升時太陽能板的功率會下降,這樣電真的夠嗎?圖/elements.envato

Q2:新聞提到,在上一波熱浪期間,德國的太陽能發電打破紀錄。對於「發電量破紀錄」跟「發電效率可能降低」之間,似乎有概念上的落差,我們該怎麼理解才正確?

雖然太陽能板受溫升影響而降低效率,但實際上,夏季日照時間最長,太陽光垂直照射太陽能板使輸出電流更高[3],所以即便扣除 7 至 10.5% 的發電功率以及下雨影響,台灣夏季平均每日發電量仍高於冬季 40-60%[4]。德國緯度比台灣高,夏冬日照時間差距比台灣更大,熱浪期間長期不下雨,增加發電量的比例遠高於溫升影響,所以發電量破紀錄是必然現象。

Q3:對於高溫可能降低太陽能轉換效率,我們有什麼措施或是技術,來因應氣候變遷的挑戰?

  1. 太陽能板架設時,要預留下方空間給空氣流通。
  2. 三角屋頂施作時,應避免貼平烤漆板,盡量以自然風散熱,降低太陽能板溫度。
  3. 研發太陽能板不易受溫升影響發電效率的電池片。十年前,影響大約每度溫升影響發電效率 0.5%,目前已經下降至 0.35%,期待未來可以進一步降低溫升影響。

不可忽視的關鍵——日照量

成功大學光電科學與工程學系教授 陳昭宇

太陽能電池的效率,必須在特定的標準測試條件(Standard Test Condition, STC)下量測,這樣不同的實驗室或研究團隊所得到的數據才能互相比較。這些條件包含了 1000W/m 的光照強度、攝氏 25 度與特定的太陽能光譜分佈(AM 1.5G)。然而,當太陽能電池真正應用時,情境大不相同。

矽晶太陽能電池的轉換效率,的確會隨著溫度的上升而下降。就算沒有熱浪來襲,屋頂型太陽能電池的工作溫度,在晴天也會處於 40 度到 50 度左右,基本上不會以 25 度的條件發電。一般太陽能模組溫度每增加一度,太陽光電板之效率將降低 0.4% 至 0.5%,因此相對於沒有熱浪的情況而言,熱浪所增加的高溫對於效率的降低可能只是很小的影響。

而發電量是「光照強度」×「轉換效率」,炎熱的天氣通常伴隨著較強的日照,很少遇到炎熱的陰天或雨天,這意味著光照強度整體上升。因此,大部分高溫情況下會得到較高的發電量,是因為日光強度提升,彌補了發電效率的下降。就好比一張滿分 100 分的考卷,你答對九成,分數是 90 分;滿分是 120 的考卷,你答對八成,分數則是 96 分。

圖一是 7 月 26 日,成大光電系系館頂樓太陽能系統的發電情形。紅色是溫度,綠色是日照量,藍色是發電功率——發電功率與日照量是高度相關的!

圖一:2022 年 7 月 26 日,成大光電系太陽能系統發電情形。圖/SMC

圖二是 5 月 2 日,溫度只有攝氏 20 度左右,接近太陽能最佳轉換效率之溫度。然而,因為日照大量減少(綠色),因此發電量也大減。

圖二:2022 年 5 月 2 日,成大光電系太陽能系統發電情形。圖/SMC

因此,該篇報導只注重轉換效率與發電量,未考慮到日照量的變化,是錯誤的連結。

另外,值得一提的是,歐洲地區的用電尖峰是在冬天為了避寒,然而這個季節的太陽能發電量是相對較少的。台灣的情境剛好相反, 我們的用電尖峰是在夏天,太陽能的供應相對高,因此我們在供給與需求的匹配上比較有利,地理條件對於使用太陽能支援尖峰供電也相對容易。

註解

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台灣科技媒體中心_96
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一波未平,一波又起!我們該擔心猴痘疫情嗎?——《科學月刊》
科學月刊_96
・2022/08/05 ・2479字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 文/林翰佐 銘傳大學生物科技學系副教授,本刊總編輯。

「一波未平,一波又起。」正當這個世界仍為嚴重特殊傳染性肺炎(COVID-19)疫情疲於奔命之際,猴痘(monkeypox)疫情似乎也有逐步升溫的趨勢。我們該以何種心態面對新的未知疫情?或許這篇文章能提供讀者一些方向和理性。

猴痘病毒的近親——造成數十億人喪命的天花

猴痘是由猴痘病毒(monkeypox virus, MPV)感染所引起,猴痘病毒在分類上有個赫赫有名的同屬——造成天花(smallpox)的天花病毒(variola virus)。

天花病毒的穿透式電子顯微鏡圖,內部呈現啞鈴形的部分包含了病毒的 DNA。圖/Wikipedia

天花是一種能透過空氣傳播、致死率約 30% 的病毒,且疾病痊癒後仍會在病人身上留下難以磨滅的坑疤,令人聞之色變,更是人類疾病歷史上最黑暗的篇章。據歷史記載,在 735 至 737 年間,一場爆發於日本的天花流行,一共奪走了 100~150 萬人的生命,約相等於當時日本總人口數的 1/3,足見其威力。

諷刺的是,天花也是人類第一個戰勝的疫病。由英國醫師詹納(Edward Jenner)推行的牛痘(cowpox)接種技術,意外開啟生命科學中的免疫學篇章,使疫苗成為對抗病毒性傳染病最有效的武器。1980 年代,在世界衛生組織(World Health Organization, WHO)防堵策略的運用下,曾經造成人類歷史上約數十億人喪命的天花,在地球上徹底地被根除。

猴痘的病毒結構與傳播能力

繼承表親天花病毒的威名,猴痘疫情似乎顯得山雨欲來。

其實,痘病毒科(Poxviridae)的親戚一直存在於脊椎動物的族群當中。這類病毒的基因組由雙股 DNA 所組成,長達 186 千鹼基對(kb),記錄著 180 多個基因訊息,是感染哺乳動物的病毒當中體型最大,最為複雜的病毒。

相較於目前大家最為熟知的新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)基因體長度大約只有 2 萬 6000 至 3 萬 2000 個核苷酸(nucleotides)所組成,透過分子機轉可以生產約 20 種左右的結構性蛋白(structural protein)及非結構性蛋白(nonstructural protein),在巨大的天花病毒前面顯得單純許多。

而更多種蛋白質的生產力也意味著病毒的「能力」愈強,所以天花病毒一直以來都被譽為是最狡猾的病毒,它具備多套欺騙免疫系統的機轉,使人防不勝防。

痘科病毒相當狡猾,但還是希望猴痘可以安分一點。,圖 / pixabay

猴痘,顧名思義是一種流行於靈長類的流行病。1958 年,在研究用的猴子中首度被發現,而人類被感染的首起案例發生於 1970 年,之後在中非及西非偏遠地區也陸續發現零星案例。

根據流行病學的調查研究,猴痘主要透過嚙齒類、靈長類野生動物傳染給人類,是一種人畜共通傳染疾病。不過猴痘的傳播一直以來都是不慍不火,即便目前有升溫的趨勢,流行病學專家也相信它的「基本再生數」(basic reproduction number,俗稱 R0 值)介於 2 和 3 之間,遠低於目前肆虐的新型冠狀病毒 Omicron 變異株(R0≈10~15),意味著只要有適當的防疫作為,疫情不會像 COVID-19 一樣來得又快又猛。

猴痘的傳播途徑有哪些?

目前已知猴痘人傳人的途徑主要以皮膚、口對口或體液等與患者有密切接觸的方式傳染,其中也包括接觸被患者汙染過的物品以及衣物等。不過具體相關細節仍有賴後續的研究,包括患者實際具備感染能力的時程,以及是否造成胎兒垂直感染的可能性等。不過由於人類對抗天花具有相當完善的經驗,對於應付猴痘來襲,一些估算總不至於差得離譜。

若是不慎感染猴痘,需要多久才能痊癒?

猴痘的症狀類似天花,具有明確的病癥,包括發燒、頭痛、肌肉酸痛、背痛、疲倦及淋巴結腫大,此外隨著病程的演進也會在皮膚上出現丘疹。

猴痘的症狀類似天花,特別明顯的症狀是皮膚病灶。圖/Wikipedia

猴痘的病程通常持續兩到三週,多數健康的人可以自行痊癒。不過部分患者包括嬰兒、兒童,以及免疫缺陷病友,可能會面臨更嚴重的症狀,甚至死亡。有關猴痘的死亡率依照不同地區呈現相當大的差異,預估值從 1~10%,甚至於更高的數值都曾經被提出,不過死亡率也與當地的公衛條件和醫療支援程度息息相關,不排除被高估的可能。

根據世界衛生組織公開的資料顯示,近期受到猴痘疫情影響的國家及地區,迄今並未出現死亡案例。

目前有針對猴痘開發的疫苗或是藥物嗎? 

由於新藥開發的速度較慢,多數新興傳染病很難有可以立即使用的「特效藥」。但目前包括美、英、加拿大等國的藥物管理局,已陸續核准將天花的藥物特考韋端(tecovirimat)用於猴痘治療。特考韋端能干擾天花病毒細胞膜蛋白的合成,阻斷病毒在人體內複製散播的機率、降低病情的發展,在實驗室中的研究證明它對猴痘病毒的複製也能有效地進行干預,不過臨床上的效果仍有待後續研究證實。

基於猴痘與天花的同源性,接種牛痘疫苗也可以提供有效保護,多項研究表明曾接種過牛痘疫苗者,發病率可降至約 4~21%。根據臺灣衛生福利部疾病管制署的說明,臺灣目前仍保有一定數量的第一代牛痘疫苗戰備存量,可以因應緊急時所需。另外,由於牛痘疫苗的製程屬於活毒疫苗,具有相當長效的保護效力,在 1979 年前出生的民眾皆有施打牛痘疫苗,因此他們也對猴痘有較佳的抵抗能力。

疫病的可怕性來自於高傳染率、致死率,以及人類對該疾病的理解程度。由上述已知條件看來,猴痘並不是那麼可怕,可避免過度恐慌。不過衛生習慣的培養與防疫知識確實仍是趨吉避凶的基礎,願大家出入平安。

  • 〈本文選自《科學月刊》2022 年 8 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

延伸閱讀

  1. 台灣科技媒體中心,猴痘最新研究解析記者會新聞稿,2022年7月。https://smctw.tw/13545/
  2. 天平疫病大流行,2021年11月5日,維基百科,https://reurl.cc/j1XR4m
科學月刊_96
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