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Zigbee停車管理系統

創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2014/01/10 ・1264字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 556 ・八年級

報導/廖英凱

對於開車族來說,在尋找停車位的過程中往往亟需耐心與運氣,即使好不容易排隊進了停車場,也常常找不到空著的車位。由中科院電子系統研究所空用電子組自行開發的「Zigbee停車管理系統」,利用以低速、省電、便宜為特色的Zigbee無線網路協定,搭配紅外線感應器與自行撰寫的使用者介面軟體,能以相當低廉且迅速的方式建置停車場內的車位管理系統。

目前市面上的停車管理系統,多為在出入口,或各樓層出入口做流量管制,使用者僅可知道各樓層停車狀況,卻無法知道空位的位置。少部分配置較高級的停車場,則會利用在車位地板下裝壓力感應器,或是在車位兩側或頂端裝設紅外線或超音波的感應器,再將感應器的線路鋪設至機房或管理室等,以知道空位的位置。其繁瑣的架構與施工配線讓成本大為提升,對於現有停車場的設備升級也是一大阻力。但中科院所開發的「Zigbee停車管理系統」架構相當簡單,是在每一個車位的正上方裝設紅外線感測器,一旦車位被使用時便會觸發紅外線感應器。而每一個感應器旁都會再連接著Zigbee的無線模組。使得每一個車位再佈線時,僅需要再車位上方牽設電源線路即可,由於室內停車場的車位多有照明,使得佈線變得相當容易。再利用Zigbee所支援的網路拓樸中的「環狀網路」,這讓每一個車位上方的Zigbee無線模組同時可以扮演接收資料、傳輸資料與轉發資料的角色。也因此不需要再架設無線網路的「基地台」便可讓各個車位感測器的資料傳送到管理主機。最後,再利用自行撰寫使用者介面軟體將傳送回來的資料做視覺化的呈現,以此控管每一個車位的狀況。

這樣便利的裝置,其關鍵在於負責傳遞訊號與撐起整個網路架構的Zigbee無線網路協定了。Zigbee自1998年起開始發展,於2002年起多家公司共組Zigbee聯盟以推動開發,並在2004年12月發行第一個標準協定。它被設計用來架構短距離傳輸的區域網路,與目前主流的wifi相比,他的傳輸距離較短(理想狀態100公尺)、速度較慢(512kB/s),但是更省電也更便宜,並支援樹狀、星狀、網狀與環狀等網路拓樸,可連結大量網路節點以減輕節點故障的影響。

現在,這套停車管理系統被應用在中科院的龍源院區的地下停車場中。管理界面上可以詳細地看出各個車位的使用狀況,在停車場入口處,也可以看到停車場內各分區車位的剩餘數量,幫助駕駛輕易地找到車位。工程師們也嘗試在Zigbee的架構下,搭配不同的感應器來來增強系統的可用性,例如搭配超音波讓車位偵測更佳敏銳,或是利用RFID紀錄每一台車的狀況以用作安全管制系統來使用。也計畫應用在倉儲管理中,作為庫存的維護與產品或人員所在位置的定位(Zigbee室內定位解析度約為一公尺)。而短距離、省電又支援多個節點的特性,也可用來取代如展覽館、會場內的無線對講機、導覽設備、同步口譯耳機等的通訊方式。

圖片3
由中科院自行設計的Zigbee無線模組。
圖片4
裝設於每個停車位正上方的Zigbee無線模組與紅外線感應裝置。

技術專頁:停車找 Zigbee

更多創新技術歡迎瀏覽解密國家寶藏

文章難易度
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由 19 個國家級產業科技研發機構,聯手發表「創新科技專案」超過 80 項研發成果。手法結合狂想與探索,包括高度感官互動的主題式「奇想樂園」區,以及分享科技新知與願景的「解密寶藏」區。驚奇、專業與創新,激發您對未來的想像與憧憬!

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淺談 JWST 的科學意義:探索宇宙深處與塵埃後的外星世界!——認識韋伯太空望遠鏡(四)
EASY天文地科小站_96
・2021/10/21 ・4876字 ・閱讀時間約 10 分鐘

  • 作者/林彥興|清大理學院學士班,努力在陰溝中仰望繁星 

在談完了韋伯太空望遠鏡(JWST)的源起、技術與運行軌道之後,本系列的終章就帶大家一起來了解,天文學家花費上百億美金之後,究竟希望韋伯能為哪些領域帶來突破?

背景圖片/illustris simulation。製圖/林彥興

追尋起源:早期宇宙與星系演化

月亮距離我們大概 380,000 公里,光需要花費 1.3 秒左右才能到達地球,因此我們看到的月亮,是 1.3 秒以前的月亮;同理,我們看到的太陽,是 500 秒以前的太陽;我們看到的仙女座星系,是 250 萬年前的仙女座星系。在宇宙中,我們看得越遠,看到的東西就越古老。某種意義上,望遠鏡就像是一座時光機,可以讓我們一窺宇宙從誕生到現在的演化歷程。

在 1995 年,一組天文學家申請哈伯太空望遠鏡進行一次瘋狂的觀測。他們選擇將哈伯太空望遠鏡對準天空中一片看似什麼都沒有的區域,接連進行了 140 個小時的曝光。他們得到的影像,日後成為天文史上最重要的照片之一,其名為:哈伯深空(Hubble Deep Field)。

哈伯深空影像。圖/Robert Williams (NASA, ESA, STScI)

天文學家們驚訝的發現,這片看似空無一物的區域,其實充滿了數以千計遙遠、古老且黯淡的星系。比起銀河系這種中老年星系,哈伯深空中拍到的許多星系才形成不久,相當的年輕有活力。瘋狂誕生恆星的星系,與現在宇宙中的星系相當不同,非常有趣。望遠鏡就好像時光機一樣,帶我們一窺宇宙過去 130 多億年的演化歷史,而哈伯深空影像,正因此成為早期宇宙與星系演化研究的一個重要里程碑。

然而,當哈伯想要往更遙遠、更古老的宇宙望去的時候,就漸漸顯得力不從心了。原因是典型的星系發出的光主要以可見光為主,但是這些古老星系發出的可見光,在前往地球的過程中,會隨著宇宙的膨脹而發生紅移。越是遙遠的星系,紅移的情況就越嚴重。因此對於非常遙遠的星系來說,它們發出的可見光到達地球時,就已經被宇宙紅移拉到紅外線波段了。因此,只能觀測紫外線到近紅外的哈伯,就很難看到它們。

這時,就是韋伯出場的時候了。專司紅外線波段的韋伯,將能夠幫助天文學家看見宇宙中第一批恆星與星系的形成,以及這些恆星與星系如何與它們周遭的環境互動。

JWST 將幫助天文學家揭密宇宙早期演化的過程,包括宇宙的再游離(Reionization)以及第一批恆星與星系的形成等。圖/STScI

在宇宙學方面,JWST 將能讓宇宙學家深入探索宇宙「再游離(Reionization)」的過程。這是當前早期宇宙研究最重要的課題之一。大霹靂後 38 萬年,宇宙中的氫是以原子(稱為中性氫)的方式存在,然而在當今的宇宙中,多數的氫都是以游離態存在的。天文學家猜測,是宇宙中第一批形成的星系與黑洞發出的強烈輻射,游離了宇宙中的中性氫,才使得宇宙中多數物質的狀態發生了這樣的改變。但是再游離的過程究竟如何發生,現在無論是觀測還是理論都還無法給出統一的答案,仍待 JWST 等新一代望遠鏡的進一步探索。除此之外,就像前文所述,JWST 將能讓我們看到哈伯太空望遠鏡所見更古老的星系,這些仍在襁褓中的星系長有甚麼特色?又是怎麼演化成為我們在現在的宇宙中所看到的星系?這些也是 JWST 將幫助天文學家回答的問題。

宇宙學模擬團隊 THESAN 所進行的宇宙再游離模擬。可以看到星系們像吹泡泡一樣把中性的氫轉變成游離態。影/THESAN Simulations
天文學家模擬韋伯和哈伯以近紅外波段的觀測類星體(Quasar)與其宿主星系(Host galaxy)的效果。可以看到在近紅外波段,韋伯的解析度明顯勝於哈伯,讓天文學家可以清楚的將類星體與其宿主星系區分開來,以利進一步研究。圖/M. Marshall (University of Melbourne)

恆星搖籃:看穿恆星形成區

初生恆星所發射的噴流 HH 212。圖/ESO/M. McCaughrean

恆星是天文物理最古老的研究對象之一。數十年來,天文學家對於恆星的類型、內部結構、演化歷程都有相當詳細的了解。然而,星際間瀰漫的雲氣究竟是如何聚集成一顆一顆的恆星,以及其周圍的行星系統,卻還有很多不清楚的地方。

典型的觀點認為,恆星誕生於巨大分子雲(GMC)之中。當分子雲中的氣體在重力的影響下逐漸聚集,就會形成紊亂而複雜的纖維狀(filament)的結構。

而在這些結構的高密度區域,隨著溫度、壓力與密度不斷提高,最終會點燃核融合反應,形成一顆顆的恆星。雖然大致的圖像有了,但是這整個過程不僅橫跨巨大的時間與空間尺度,更牽涉到磁流體力學、輻射、化學反應鏈等一系列複雜的物理與化學過程,因此上述的許多細節,仍是天文學家們努力研究的題目。

STARFORGE 團隊的天文學家借由超級電腦模擬恆星形成的過程。影/STARFORGE Simulation

然而,由於這些恆星的形成區,往往被濃密的氣體與塵埃所包圍,因此當天文學家使用可見光觀測時,往往只能看到黑壓壓一片,難以窺探雲氣神秘的核心之中,恆星究竟是怎麼演化的。此時,紅外線的優勢再次展現。由於波長較長,紅外線比可見光和紫外線,更能夠穿過層層的星際雲氣而不被吸收,因此可以幫助天文學家直擊初生恆星的核心區域。

哈伯太空望遠鏡利用可見光與近紅外線拍攝的創生之柱(Pillars of Creation)。可以看到利用紅外線觀測時,望遠鏡能夠更好地看穿厚重的星際雲氣。圖/NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

除了恆星本身之外,恆星形成時環繞在其周遭的「原恆星盤(Protoplanetary disk)」也是行星誕生的溫床。利用 ALMA 等次毫米波(介於遠紅外線到無線電波之間)望遠鏡,天文學家發現許多初生的恆星系統旁,都圍繞著濃密的氣體與塵埃盤。不僅如此,它們還發現這些盤面上,常有許多大小不一的間隙(gap),很可能就是來自正在形成中的行星。在少數的系統中,天文學家甚至能夠直接拍攝到這些正在襁褓中的系外行星們。而 JWST 在紅外波段的觀測,將能夠讓天文學家更進一步了解這些行星(尤其是靠近恆星的類地行星們)的形成。

ALMA 在遠紅外線/次毫米波波段拍攝的多個原行星盤(protoplanetary disk)影像。它們是恆星旁殘留的塵埃與雲氣,且被認為是系外行星誕生的搖籃。JWST 將以中紅外線對這類天體進行更多的觀測。圖/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
中紅外波段存在許多重要的分子的發射譜線,如甲烷(Methane)、氨(Ammonia)、乙炔(Acetylene)等等,這些了解這些分子的分布與含量,能幫助天文學家了解行星的形成時原行星盤的環境,以進一步了解行星的形成機制。圖/NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)

外星世界:凝視太陽系與系外行星

「我們在宇宙中是孤獨的嗎?」

這個問題雖然至今仍沒有答案,但過去 25 年,天文學家對外星世界的認識已經有了巨大的進展。曾經,系外行星是只存在於假想中的天體;但現在,天文學家已經發現了超過 4,000 顆,隨著資料的不斷更新(主要歸功於 TESS 衛星的努力),這個數量還會持續上漲。

想了解系外行星學的發展歷史?這首 Acapella Science 的作品絕對是最棒的入門!

影/acapellascience

但是,天文學家雖然知道這些系外行星的存在,對這些外星世界的了解卻還相當有限,原因是系外行星實在是太小太暗了。對於多數的系外行星,天文學家都只能用一些間接的方法,測量它們的質量、半徑、軌道週期等相對粗略的特性,並且估計這個行星是否處於適合生命生存的「適居帶(Habitable Zone)」之內。

NASA 的 Kepler 與 TESS 望遠鏡是專司以「凌日法」搜尋系外行星的獵手。目前已知大半的系外行星都是由它們兩個發現。但是他們的觀測能夠提供的資訊相對有限。圖/NASA/JPL-Caltech

JWST 強大的能力將幫助天文學家突破困境。它能夠以兩種主要的方式觀測系外行星:一種是趁著系外行星繞行到其母恆星前方時,觀測整個系統的光譜,並找出其中由系外行星的大氣所貢獻的吸收譜線,這種方法被稱為「凌日光譜學 (Transit Spectroscopy)」;另外一種方式是藉由「日冕儀(Coronograph)」遮擋住來自母恆星的光線,直接拍攝並取得系外行星的光譜,這種做法被稱為「直接影像法(Direct Imaging)」。結合這兩種方式,JWST 將能夠讓天文學家對系外行星的認識不再只有多大、多重、多遠這些淺顯的描述,而是能知道大氣的組成、溫度與垂直結構,以及它們隨著季節、軌道半徑等其他因素的變化,深入地了解這些外星世界,甚至是尋找生命可能存在的跡象。

藝術家對 Kepler-1649c 行星的想像圖。圖/NASA

除了遙遠的系外行星之外,JWST 對於太陽系內的觀測其實也能有很大貢獻喔!舉例來說,JWST 擁有的中紅外波段的光譜觀測能力,既然可以分析系外行星的化學組成,當然也可以拿來分析太陽系內的小天體,如小行星、彗星、古柏帶天體等等,補足地面天文台無法觀測中紅外線留下的資訊空缺。此外,對於火星、四大巨行星、以及土衛六泰坦的研究,都是 JWST 可能的觀測目標。

未來精彩可期

從 1996 到 2021,從「新世代太空望遠鏡」到「詹姆士.韋伯太空望遠鏡」,天文學家的超級紅外線太空望遠鏡之夢,走過了漫長而曲折的發展歷程。25 年後的今天(10 月 17 日),JWST 已經搭乘海運抵達位於南美的法屬圭亞那太空中心,準備在 12 月 18 日搭乘亞利安 5 號火箭(Ariane 5),前往日地第二拉格朗日點(L2),以前所未有的性能,展開對宇宙、星系、恆星與行星的深入研究。更重要的是,每當一代更新、更強大的儀器成軍,天文學家不僅期待它回答上述「現有」的問題,更希望它能將人類的視野,開拓至我們從未想過的領域。韋伯究竟會帶來怎樣的驚喜,就讓我們拭目以待!

參考文獻

延伸閱讀

  1. 為何 NASA 不惜大撒幣也要把它送上太空?——認識韋伯太空望遠鏡(一) – PanSci 泛科學
  2. 史上最大口徑的 JWST 要如何塞進火箭?——認識韋伯太空望遠鏡(二) – PanSci 泛科學
  3. 太空巨獸 JWST 升空後的 150 萬里長征—— 認識韋伯太空望遠鏡(三) – PanSci 泛科學
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為何 NASA 不惜大撒幣也要把它送上太空?——認識韋伯太空望遠鏡(一)
EASY天文地科小站_96
・2021/10/02 ・2141字 ・閱讀時間約 4 分鐘

  • 作者/邵思齊/台大地質科學系,沉迷於世界的浩瀚之中
  • 作者/林彥興/清大理學院學士班,努力在陰溝中仰望繁星

經過二十年的等待,詹姆士.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope, JWST)終於確定將於 2021 年 12 月 18 日升空。作為哈伯的接班人,背負著全世界期望與壓力的韋伯究竟有何特別之處?它將帶給我們什麼樣的新奇發現?又為什麼一再擴增預算與延後發射呢?

本系列文章,將會從觀測波段的選擇、到鏡組結構的設計、軌道的放置,深入探索處處充滿精彩故事的韋伯太空望遠鏡。

以紅外線仰望星空,究竟會看到甚麼?

科學研究仰賴著理論與實驗的並行。而在天文學中,由於我們難以在實驗室中複製出天文等級的環境,因此天文學家往往以「觀測」取代「實驗」,藉由望遠鏡仰望星空,來探索宇宙的奧秘。而 1960 年代開始有了太空望遠鏡之後,更是讓觀測資料的品質有大幅度的提升。

除了大家耳熟能詳、長壽的哈伯望遠鏡之外,其實已有數十台各式各樣的太空望遠鏡曾被發射到軌道上。這些太空望遠鏡的觀測波段跨了非常大的範圍,從伽瑪射線、X 光、紫外線、可見光、紅外線、微波到無線電波都有。而一台望遠鏡的觀測波段,很大一部分決定了它能看到什麼樣的東西,以及研究什麼現象。

JWST 的主要科學目標有三,分別是「系外行星」、「早期宇宙/星系演化」以及「恆星形成」。圖/The Space Telescope Science Institute (CC BY 2.0)

宇宙中,不同的物體、事件會釋放出不同能量的電磁波,而我們肉眼所能看到的可見光,只是所有電磁波的一小部分。波長越短的電磁波(例如紫外線、X 射線、伽瑪射線)所夾帶的能量越高;波長越長的電磁波(例如紅外線、微波、無線電波)所夾帶的能量則越低。一般而言,越高溫、高能量的天體,可以放出越高能量的電磁波。

比如溫度約在數千到上萬度的恆星,就主要放出可見光;低溫的物體,例如人體、塵埃以及系外行星,放出的輻射就以紅外線為主。而且因為波長較長,紅外線可以穿透一些可見光無法穿透的物質,讓天文學家看穿濃厚雲氣背後的目標。最後,利用紅外線,天文學家可以觀測到宇宙最早期的一批星系,對了解宇宙的演化歷史相當重要。

為什麼要把望遠鏡送上太空?

然而,觀測紅外線波段也有相應的缺點。

地面紅外線觀測最大的問題在於,大氣中的水氣會吸收紅外線,使得來自太空的紅外線來不及進入望遠鏡中,就被半路攔截,而且紅外線的波長越長,受到的吸收就越嚴重。因此,想在地面上進行紅外線觀測,就必須選擇乾燥的高山高原,才能達到較好的觀測效果,對環境的要求非常嚴苛。而且這僅適用於近紅外線(波長比較短的紅外線),對於波長數十至上百微米的遠紅外線,大氣層就幾乎是完全不透明的。

但是少了遠紅外線這個波段,天文學家就很難對宇宙中的塵埃、早期星系、系外行星等令人興奮的領域有進一步的了解。因此,即使用火箭發射東西上太空非常昂貴、即使要應付維修的不便與酬載的限制,科學家還是希望能把望遠鏡送上太空。於是,一個運行在外太空的大型紅外線望遠鏡的構想漸漸成形。

大氣層對不同波段的電磁波有不同的吸收率,那些大氣幾乎不吸收,可以從地面觀測宇宙的波段,就被稱為大氣窗口(atmospheric window)。圖/NASA 

一波三折!韋伯太空望遠鏡預計 12/18 升空

美國太空總署(NASA)最早在 1996 年開始了一個名為「新世代太空望遠鏡」的計畫,預計將這隻望遠鏡作為哈伯的接班人,在哈伯運作 10 至 15 年退役後頂替它成為 NASA 的下一個旗艦級太空望遠鏡。2002 年,為了紀念領導阿波羅登月計畫的第二任署長詹姆士.韋伯,這支望遠鏡於是以他的名字命名,並預計要在 2011 年時發射。然而因為技術及預算問題,計畫一度差點腰斬,後來 NASA 將整個計劃大幅整頓,並將預定發射時間一路延到 2018 年(見延伸閱讀二)。

但事情依舊不如想像中的順利,2017 年 JWST 再度遭遇測試狀況不佳,2020 年又遇到肆虐全球的 COVID-19 疫情,使得 JWST 的發射時程持續推遲,從 2018 延到了 2019,又到 2020、2021,最終定檔為逼近年底的 2021 年 12 月 18 日。目前(截自2021/9/26日),JWST 已經被打包好,正由貨船運送至法屬圭亞那發射場,準備裝載在歐洲太空總署提供的亞利安五號火箭(Ariane 5)之上。希望這次,JWST 可以順利如期出航。

苦等良久,期待 JWST 發射順利。圖/Northrop Grumman (CC BY 2.0)

延伸閱讀

  1. 史上最大口徑的 JWST 要如何塞進火箭?——認識韋伯太空望遠鏡(二)
  2. 太空巨獸 JWST 升空後的 150 萬里長征 —— 認識韋伯太空望遠鏡(三)
  3. 淺談 JWST 的科學意義:探索宇宙深處與塵埃後的外星世界!——認識韋伯太空望遠鏡(四)
  4. 出事了哈伯!細數哈伯太空望遠鏡 31 年來的維修升級史
  5. The James Webb Telescope is delayed again. Here’s why. (inverse.com)

參考資料

NASA,〈James Webb Space Telescope

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現在,這套停車管理系統被應用在中科院的龍源院區的地下停車場中。管理界面上可以詳細地看出各個車位的使用狀況,在停車場入口處,也可以看到停車場內各分區車位的剩餘數量,幫助駕駛輕易地找到車位。工程師們也嘗試在Zigbee的架構下,搭配不同的感應器來來增強系統的可用性,例如搭配超音波讓車位偵測更佳敏銳,或是利用RFID紀錄每一台車的狀況以用作安全管制系統來使用。也計畫應用在倉儲管理中,作為庫存的維護與產品或人員所在位置的定位(Zigbee室內定位解析度約為一公尺)。而短距離、省電又支援多個節點的特性,也可用來取代如展覽館、會場內的無線對講機、導覽設備、同步口譯耳機等的通訊方式。

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由中科院自行設計的Zigbee無線模組。

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裝設於每個停車位正上方的Zigbee無線模組與紅外線感應裝置。

技術專頁:停車找 Zigbee

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不用電也能降溫?新的塑膠膜材料,接觸後溫度下降10°C
florinn
・2017/08/25 ・2427字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

夏天不開冷氣,真的會熱到讓人崩潰,但是打開冷氣,電力負載又會大幅提高,或是可能讓電廠跳電。那有沒有什麼方法可以不耗電,又讓人覺得一切都是那麼涼爽舒適?有的!科學家今年二月發明了超強大又超便宜的塑膠,可以讓任何接觸到這種塑膠的物體降溫至多10度!

圖/Science

讓熱輻射不被空氣吸收,散熱直接散到太空去!

世界上所有有溫度的物體都會輻射出電磁波,也都會吸收電磁波,從我們生活中的各種家具、房子甚至人體也都是如此。如果某個物體輻射出了電磁波,那它的溫度就會降下來,而如果它吸收了電磁波,那就表示那個電磁波的能量,使得物體的溫度上升了。

所以,你覺得很熱,絕對不只是夏天的問題,你也有一部分的責任(誤),人體會一直輻射出近紅外線,而輻射出來的近紅外線會被人體附近的空氣吸收,吸收了這些能量後,空氣就會被加熱,所以當我們走進人多的空間,一股熱氣襲來,就是因為我們感覺到了那些「被加熱」的空氣。

因為空氣會吸收近紅外線的緣故,地球輻射出來的能量就會不斷的被空氣吸收,再輻射釋放出來,再被吸收,再被釋放出來……,如此循環下去,使得能量不太容易散出去,而這也是溫室效應保持地球溫度恆定的原理。

研究人員想到,如果可以讓物體輻射出的電磁波,不會被大氣吸收的話,那輻射出來的電磁波就能順利穿透大氣層,消散在外太空,能量就不會被鎖在大氣中,尤其是物體附近的空氣。而隨著時間的推移,輻射出越多的能量,物體的溫度就會慢慢降低。

各種不同波長的電磁波穿透大氣層的程度,縱軸穿透率(單位%),橫軸波長(單位微米),8-13 微米的區域稱為「大氣窗」,研究人員新發明的塑膠,會發出波長約3-20微米紅外線,而獲得降溫的效果。圖/Wikimedia Commons

近年來,研究人員利用這個被稱為「被動冷卻」的概念,試圖設計出一種盡可能不吸收可見光,但卻持續輻射出中、長紅外線的材料。2014年,史丹佛大學電機工程教授范善輝(音譯,Shanhui Fan)的團隊,使用半導體製程的鍍膜技術,創造出一種含有二氧化矽(玻璃)和二氧化鉿(Hafnium dioxide)的薄膜。當時他們發明的薄膜可以反射幾乎所有的光,而且能同時輻射出很多中紅外線,使得他們的薄膜產品可以將接觸物品的表面冷卻多達5℃。不過他們的發明得要使用無塵室來製作,所以成本超高,無法大規模量產。

塑料薄膜中的玻璃球強烈地輻射出紅外光,下方是薄膜接觸的冷卻對象。圖/原始文獻

當科羅拉多大學的材料科學家尹曉波(音譯,Xiaobo Yin)看到這個發明的論文時,他注意到范善輝團隊的設計是讓紅外線能在薄膜內部來回跳動,最終輻射出更多紅外線,這就像吉他的音箱一樣,聲波在裡面不斷反彈共振,而讓吉他的樂音變得更大聲。尹曉波的團隊計算出,如果在薄膜內放入直徑大約 8 微米(比紅血球稍大)的玻璃珠的話,能讓中紅外線輻射量大增。

他們的製作方式是,將玻璃粉與一種透明塑料原料(聚甲基戊烯, TPX)混合,然後把它們製成 300 毫米寬的薄膜,並且在其中一面塗銀,讓它具有像鏡子一樣的反射效果。如果把這個薄膜攤開來,底層的銀幾乎可以反射所有的可見光,所以就算在大太陽下曬,也不太會吸收能量。同時,薄膜也會吸收它所接觸的物體的熱量,並以中紅外線將能量輻射出去,所以這些熱能完全不會被空氣吸收,能一直傳到外太空而消散。

散熱塑膠薄膜,低成本又不耗電

圖/Glenn Asakawa, University of Colorado Boulder

這項發明其實能以現行製造薄膜型電子元件的方式製造(Roll-to-Roll精密捲繞對位技術),如果以這種標準化的製造流程生產,每平方公尺最多花台幣 15 元而已,成本相當低廉。

而在實際測試中,薄膜在中午的陽光曝曬下的輻射冷卻功率達到 93 W/m2,大致等於面積相當的太陽能電池產生的電力,入夜之後輻射冷卻功率還會更高,也就是說這種新式塑膠薄膜完全可以不分晝夜持續輻射降溫。根據他們的研究報告,最多能使鋪上這層塑膠薄膜的物體冷卻多達10°C,研究人員推估只要在屋頂上鋪上約 10-20 平方公尺的這種材料的話,就算是三十幾度的夏天高溫,也能讓房子維持在舒適的二十多度附近(台北的熱島效應根本不是對手了哇哈哈)。

如果想要調節降溫的程度,只需要將這種塑膠薄膜貼附在冷卻系統的水管上,再利用水將室內的熱能傳到降溫系統,調節水管中的水量,就能讓室溫穩定維持在不同溫度。雖然調節水量還是要用電,但比起現行冷卻室內空間的方式,可以剩下非常多的電力。

尹曉波教授和他的團隊已經開始嘗試應用這項發明,來降低建築物和其他大型結構的冷卻水,這在發電廠尤其有用。他也補充說,就算沒有銀塗層,塑料薄膜貼附在太陽能電池上,也可以降低太陽能板的溫度,而提高發電效率約 1-2%,也減少過熱而消耗太陽能板使用壽命的情況。

研究人員表示:「這個塑膠薄膜的優勢是全天候不用電或消耗水,我們很高興有機會能探索電業、航空航太與農業等領域的潛在用途。」

 

原始文獻:

資料來源:

  1. Cheap plastic film cools whatever it touches up to 10°C – Science
  2. New engineered material can cool roofs, structures with zero energy consumption – ScienceDaily
  3. How to keep cool without costing the Earth – The Economist

 

延伸閱讀:

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  2. 熱死了!冷氣怎麼開最舒服省電? – PanSci
florinn
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曾任泛科學實習編輯,是個從學術象牙塔逃離的化學系、化學所學生。比起做實驗,更喜歡分享科學故事、聽科學趣聞,寫科普文的目的就是希望能和大家一起領略科學的力與美。