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【還能怎樣】林祥泰:甲烷可燃冰

PanSci_96
・2014/11/25 ・2548字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 497 ・六年級

什麼是可燃冰?

 

圖1如上圖,林祥泰教授一開頭便直接破題:顧名思義,可燃冰就是可以燃燒的冰塊。將這種冰塊放入玻璃皿或拿在手上點火即可燃燒,但由於冰塊體本身在燃燒過程中保持低溫,所以不燙手。

為什麼這種冰塊可以燃燒呢?

圖片2原來它不是普通的冰塊,而是水與甲烷(CH4,天然氣主要成分)在高壓低溫的條件下所合成的特殊冰塊,這種甲烷與水的混合物又可稱為甲烷水合物、甲烷冰或天然氣水合物;又因它在常溫常壓下可直接點火燃燒,故又稱可燃冰。

可燃冰與冰?

 

圖2可燃冰與冰的基本結構都是由水分子(H2O)組成,但排列出來的分子形狀差異很大,一般冰塊的結構(上圖右)整齊簡單地層層排列,而可燃冰(上圖左)則是由多個籠狀結構重複堆疊而成。放大可燃冰的結構(下圖)仔細觀察,籠狀結構讓可燃冰有多的空間可以容納甲烷分子,以構成可燃的甲烷冰。

可燃冰能量密度高,1立方公尺的可燃冰可釋出150立方公尺的天然氣,根據過去的統計,台灣每人每年的平均天然氣用量為430立方公尺,換算後則代表家中找塊空地存放3立方公尺的可燃冰,即可提供每人一年的天然氣用量!若可燃冰這種新型態的能源未來開發成功,那麼受惠最多的應屬偏鄉及高山地區居民了,因為這種能量密度高的可燃冰除了提供天然氣之外,還能同時提供乾淨的水源。

哪裡可以找到可燃冰?

圖4甲烷可燃冰的形成除了需要水與甲烷之外,還必須有適當的環境才能夠存在。可燃冰只能穩定存在於高壓低溫的環境,若在常溫常壓下它就會溶解。

1965年後,人類陸續發現天然的甲烷可燃冰,自然界的甲烷可燃冰存在於極區的永凍層,或大陸斜坡與大陸隆堆一帶的海床下面。

圖5海底當然有足夠的海水,但哪裡有大量甲烷可以與海水合成甲烷水合物呢?海底礦層的甲烷由兩種方式生成,一是死亡動植物沉積於海底後,因地熱而熱裂解,產生大量的甲烷;另外海底也有特別的微生物能透過化學反應生成甲烷。

 

圖片4高緯度永凍層區的可燃冰存在於地下約150~2000公尺之間,而深水區可燃存在於海床下約1000公尺內。

 

圖7全世界的可燃冰分布位置幾乎都在陸地沿岸附近,而台灣附近的西南海域也探測到兩個可燃冰蘊藏區。

 

可燃冰為什麼重要?

圖片8根據(上圖)有機碳在地球上的分布比重,可以發現(Gt=giga ton=109 ton=1012 kg)甲烷水合物的量為現存化石燃料的兩倍,或許能夠解決化石燃料即將用罄的能源危機。又與化石燃料相比,可燃冰是較為乾淨的能源。最後,可燃冰特殊的籠狀結構似乎能用來封存CO2 等溫室氣體,減緩日漸加劇的溫室效應;另外它還可能運送氣體,也可以對海水進行淡化,是很有潛力的新能源。

 

圖片6對台灣來說,目前我們使用的能源中有99.2%仰賴進口,而地質探勘的資料顯示西南海域的甲烷可燃冰存量,換算後約可供給台灣50~270年天然氣的使用量。即使技術尚未純熟且成本高,但此待開發的新能源是台灣目前唯一能夠自主開發使用的大量天然資源。況且若開始課徵碳稅,取出天然氣利用後的可燃冰能夠封存二氧化碳,達到溫室氣體的減量。

可燃冰的開採?

圖片7甲烷可燃冰適合存於高壓低溫的環境下,目前開採甲烷可燃冰的方法有兩種:第一種是升溫解離,在可燃冰賦存區開一個井後,灌熱水進去使其溫度上升,水合物一溶解,甲烷即釋出。第二種是減壓解離,一樣在可燃冰賦存區開井,接著把裡面的涵水抽出使其壓力降低,水合物溶解後甲烷就能釋出了。

 

圖片11世界各國對可燃冰的開採現況如下:2002年加拿大與德、日、美、印共同合作,為第一批在永凍原開採天然氣水合物的科學實驗小組;2008~2013年間美國測試以二氧化碳開採甲烷水合物,證實開採甲烷的同時可封存二氧化碳。而由於日本能源大多為進口,所以他們正積極開發可燃冰的開採技術,也是全球第一個掌握海底可燃冰開採技術的國家,正在評估準備商業開發。

 

可燃冰對未來的衝擊?

雖然甲烷可燃冰好處多多,但我們還是必須評估這個新能源可能會帶來的影響與衝擊。首先是能源使用型態的改變,從原本習慣的石化能源轉換到甲烷。第二是甲烷對環境的影響,根據美國研究表示,使用甲烷可燃冰所產生的二氧化碳量比使用頁岩氣所產生的二氧化碳量多好幾倍,加上甲烷本身也是溫室氣體,其暖化地球的威力是二氧化碳的25倍,故我們必須仔細評估利用甲烷天然氣是否會讓溫室效應加劇。

圖片16一旦開採可燃冰,開採區附近的生態及地質會遭到嚴重的破壞,周遭的生物棲息地被破壞必然導致生物聚落消失,而對地質的影響則更大,因為取出甲烷後的地層或海床會變得不穩定,可能崩毀或滑移,釀成地震或海嘯。最好的解決辦法是在取出甲烷的同時灌入二氧化碳封存,但這個技術目前並不純熟,尚待改進。

 

圖片13林祥泰教授的結論是:「甲烷可燃冰可以說是大自然給人類的GIFT」。GIFT可以解釋為禮物,可燃冰是儲存天然氣的大寶藏;GIFT亦可解釋為毒藥,可燃冰的開採對環境與生態有很嚴重的影響。究竟甲烷可燃冰是禮物還是毒藥,這就得看人類的造化了!

[Q&A]

Q:開採可燃冰的最大困難?
A:管線堵塞。

Q:對台灣來說可燃冰的開採是很急迫的嗎?
A:其實最近頁岩氣的開採,讓石化危機解除了,等到石化用完全球會先用頁岩氣,再過一段時間才會認真的來開發可燃冰。

 

【關於能源多元化系列講座】

能源多元化系列講座是Pansci舉辦的科學聚會,活動的主要形式是找兩位來自能源相關領域的講者,各自在 30 分鐘內與大家分享能源相關知識或相關的想法,並讓所有人對能源議題有興趣或關心台灣能源產業現況的人都能參與討論。本系列活動由PanSci 泛科學、工業技術研究院與經濟部能源局聯合主辦。

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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「恆水創電」聯手比利時 Turbulent 研發超低落差機組——力拼「微水力發電」扎根台灣!
PanSci_96
・2021/12/09 ・1788字 ・閱讀時間約 3 分鐘

  • 本文依據 恆水創電 110 年 12 月 9 日新聞稿 改寫

文/郭椀濘、李先泰

為了地球的永續發展,台灣已將 2050 年淨零碳排列為重要政策目標,行政院也擬於2022年初提出路徑草案,檢討整體能源政策;為了實現淨零碳排目標,能源新創企業「恆水創電」9日與比利時台北辦事處共同舉辦記者會,發表與比利時水輪機製造商 TURBULENT 共同研發的超低落差機組「Turbulent S」,該機組針對台灣水利環境設計,只要 1.28m 超低落差即可發電,有助於微水力發電在台扎根。

比利時台北辦事處處長文浩德 Frédéric VERHEYDEN 致詞指出,比利時綠能產業擁有許多領先技術,為潔淨能源的先驅,是台灣發展能源最理想的合作夥伴,與台灣離岸風電領域已有深入合作,十分樂見 TURBULENT 與恆水創電在嶄新領域攜手共進,「台比合作將發展美好且綠化的台灣,為全球的淨零願景貢獻心力。」

恆水創電股份有限公司創辦人兼執行長鄒飛逯表示,推動「水利建設內建發電」是恆水創電的企業使命。他強調,台灣具有得天獨厚的水力發電條件,不但水力豐沛,地勢更是山高水急。然而,在河川渠道中卻有許多緩解水流力道的消能設施(如消波塊),以小水力發電的觀點來看相當可惜。

比利時水輪機製造商TURBULENT於智利架設的機組。圖/恆水創電提供

鄒飛逯指出,若運用發電機組取代消能設施,用水流動能發電,就能使消能設施創造能量,既可兼顧設施安全,又能創造最乾淨的綠能,堪稱一舉數得,而這也是恆水創電的初衷。鄒飛逯強調:「思維轉個彎,水利基礎建設就是小電廠,每一滴水都能發好幾次電!」

針對 TURBULENT 機組的技術優勢,鄒飛逯指出,TURBULENT 垂直渦流水輪機的特色是韌性極強且應用場域廣泛。強韌的葉片讓機組不怕垃圾及泥沙堵塞(以Turbulent S為例,可容納直徑 25cm 的物體通過),一體成型的設計亦可抗震;若遇到強風豪雨導致河川水位暴漲,也有對應的斷電機制,讓發電機組自動跳離電網,在條件嚴苛的場域中仍可穩定運作。

鄒飛逯也說,TURBULENT 的機組體積小且易於施作,可與水利設施合為一體,多元發展性高。更關鍵的是,機組的設計也讓河道中的生物能無害通過葉片,可兼顧生態友善:「頂多讓通過的生物感到暈眩,但不會造成傷害。」

資料來源/恆水創電

而為徹底運用台灣的水力潛能,恆水創電與TURBULENT整合雙方專業,經過兩年場域資料蒐集及田野調查,為台灣水力環境量身設計 Turbulent S超低落差小水力發電機組,為台灣打造最佳化機組。

Turbulent S可應用於台灣多數水力環境中,因其有效落差高度僅1.28m,所需流量為2cms (每秒2立方米),無論在灌溉溝渠跌水工、自然河川、淨水與汙水處理廠、給排水、水保設施等場域,都有極大發揮空間,讓鄒飛逯喊出「一落差一機組,一渠道一電廠」的綠能願景。

Turbulent S 的機組構面圖。圖/恆水創電提供

為推動台灣小水力產業發展,恆水創電與TURBULENT已簽訂合作備忘錄,授權Turbulent S機組國產化,比照風電模式在台灣落地生產。

恆水創電總經理廖弘毅指出,Turbulent S國產化不僅有助提升產業技術,更可確保長期料件供應與技術服務。「作為生命週期20至30年的基礎建設,國產化將能確保小水力發電在台灣長久發展、穩定維運;」廖弘毅總結,「這將是小水力發電在台灣遍地開花的重要一步!」

今日恆水創電也正式與台灣小水力綠能產業聯盟簽約入會,強調日後將會有緊密合作。對此聯盟洪正中理事長表示:「小水力發電是最環保再生能源,為對環境最友善的發電方式,小水力為台灣再生能源第三棒,聯盟與恆水創電公司將會持續為再生能源努力。」

恆水創電9日與台灣小水力綠能產業聯盟簽約入會;左為恆水創電執行長鄒飛逯、右為台灣小水力綠能產業聯盟理事長洪正中。圖/李先泰攝

2021.12.12 PM 0:24 更新:原版本文中之「水頭」為英文 Hydraulic Head 之意,為單位重量液體通過泵所獲得的能量,單位為公尺(m)。為便於理解,改為「落差」。

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前方高能注意!你知道可以用「熱」發電嗎?把廢熱變能源的黑科技──熱電材料
研之有物│中央研究院_96
・2021/09/06 ・4237字 ・閱讀時間約 8 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|郭雅欣
  • 美術設計|林洵安

回收廢熱的熱電材料

在全球面臨能源轉型之際,再生能源的發展大多著重在太陽能、風力、水力、生質燃料等。然而近年,隨著奈米科技的發展,可將廢熱轉為電力的熱電材料也逐漸嶄露頭角。中央研究院物理研究所陳洋元研究員踏足熱電材料的研究已有十幾年,在他眼中,熱電材料極具能源發展潛力。

熱電轉換再興起

身處能源轉型的關鍵時刻,我們不由得擔心,再生能源真的足以補上電力缺口嗎?還有沒有其他新興的發電方法呢?有的!用廢熱發電,聽起來很不錯吧?畢竟在日常生活中,我們也受夠廢熱了。汽車、冷氣等機械廢熱,加上太陽的輻射熱等,這些煩人的廢熱如果能拿來發電,實在是個好主意。

熱電材料就是熱生電的關鍵,它能將(沒用的)熱轉化成(好用的)電。近年來,熱電材料逐漸發展起來,中研院物理所研究員陳洋元從 2006 年起開始研究熱電材料,他說:「熱電材料的發電效率已經有很大的進展!」在不久的未來,熱電材料的應用將愈來愈廣泛,成為能源轉型時代的重要一角。

熱電材料的歷史要回溯到 200 年前,德國科學家西貝克(Thomas Seebeck)在 1821 年發現,材料兩端的溫度差會形成電位差,稱為「西貝克效應」。也就是說,同一種材料只要兩端溫度不同,兩端之間就會產生電壓;反之,在材料兩端賦予電壓時,兩端之間就會產生溫度差。科學家因此定義了西貝克係數 S = ∆V∆T,表示同一種材料下,溫度差愈大,輸出電壓越大,「換句話說,一個有溫差的材料,等於可以視為一個乾電池。」陳洋元解釋。這便是熱電材料的基本物理機制。

圖片為熱電材料的基本特性。同一個熱電材料,若給予兩端溫度差可以產生電壓(西貝克效應);若給予兩端電壓則會造成溫度差(皮爾特效應)。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)
圖片為熱電材料的基本特性。同一個熱電材料,若給予兩端溫度差可以產生電壓(西貝克效應);若給予兩端電壓則會造成溫度差(皮爾特效應)。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)

找出最優質的熱電材料

由於每一度溫差產生的電壓就是「西貝克係數」,直觀來說,西貝克係數愈大的材料,在同樣的溫差下輸出的電壓愈大,是愈好的熱電材料。不過陳洋元補充說,熱電材料除了西貝克係數要高之外,「導電性也要好,除此之外,導熱率不能太好,否則溫差一下子就熱平衡掉了。」考量各種條件之後,科學家訂出了熱電材料的優質係數 ZT 值=(δS2κ)T,其中 σ 是導電係數、S 是西貝克係數,κ 是導熱率,T 是絕對溫度。

導電性好、西貝克係數高,而且導熱率要低。這是優質熱電材料的三大條件。

於是,研究熱電材料的科學家從幾十年前開始,便朝著符合這些條件的方向努力。陳洋元說:「金屬的導熱都太好了,並不適合當作熱電材料。目前主要的做法是用各種半導體材料,搭配不同的摻雜元素及比例,來找出最佳化的 ZT 值。」

半導體材料是良好的熱電材料,依據摻雜的元素種類,可分為 n 型(電流載子為電子,帶負電)與 p 型(電流載子為電洞,帶正電),製作熱電材料時,會將 n、p 型材料組合成上圖「熱電偶」的形式。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)
半導體材料是良好的熱電材料,依據摻雜的元素種類,可分為 n 型(電流載子為電子,帶負電)與 p 型(電流載子為電洞,帶正電),製作熱電材料時,會將 n、p 型材料組合成上圖「熱電偶」的形式。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)

全世界各研究團隊多年下來,針對各種材料組合及摻雜比例,找出了不少值得關注的熱電材料候選者(如下表)。「你可以從中發現,多數的熱電材料都是溫度愈高,ZT 值愈高,在 600°C~700°C 的高溫會表現得很好。」陳洋元笑說:「只有一種材料適合在室溫運作,就是鉍-銻-碲(BiSbTe),目前為止無人能出其右。而且科學家大概 50 年前就發現它了,它保持世界紀錄至今 50 年。」

各種 p 型(左)、n 型(右)材料的 ZT 值與溫度關係圖。可以看到接近室溫(27°C,約300K)表現最好的材料為 p 型的 BiSbTe(藍色折線)。圖│陳洋元
各種 p 型(左)、n 型(右)材料的 ZT 值與溫度關係圖。可以看到接近室溫(27°C,約300K)表現最好的材料為 p 型的 BiSbTe(藍色折線)。
圖│陳洋元

控制晶格和缺陷,不讓熱傳過去!

找到優秀的材料搭配和比例還不夠!要提升熱電效果,還有一個重要因子:減低熱電材料的導熱率。微觀來看,就是精細地調控材料晶格或內部缺陷。

晶格是材料的骨架,熱的本質是晶格振動,而熱傳導的本質便是晶格裡的原子以振動方式將能量傳遞給鄰近原子。因此,阻礙能量傳遞的方式,就是調控材料內原子的排列,以期達到導熱差、導電好的最終目的。

理想上可以利用「超晶格」,當不同種類的原子像三明治一般層層交替堆疊時,界面的原子與鄰近原子尺寸、重量都不同,這會造成晶格排列不順暢(晶格不匹配),彼此的振動能量也不易傳遞,大部分都會反彈回來,也就達到「導熱不佳」的效果了。

種類不同、尺寸與重量皆不同的原子間,由於晶格不匹配,振動比較不易傳遞,導熱率因此降低。

陳洋元進一步解釋,超晶格的每一層材料厚度、比例都必須嚴格控制,「因為我們只希望導熱率降低,但不希望影響到電子的移動。」也因此,這項製程「非常困難,需要的設備也很昂貴。超晶格結構如果要做到一張紙那麼厚,可能必須鍍膜上萬次,成本很高,東西也做不大。換言之,超晶格在學理上可行,但實際應用上有困難。」


「我們可以選擇退而求其次的做法。」陳洋元說。例如在材料裡刻意摻雜一些雜質,或製造晶格的空缺,包括:點缺陷、空位、差排、疊差等。以這些缺陷的數量來控制材料特性,在盡量不影響導電的狀況下降低熱傳導率。「這是比較簡單可行的做法。」

圖片為「疊差」缺陷。對於熱電材料來說,為了降低導熱率,理想上可利用「疊差」來調控材料內部「缺陷」,最終目的是導熱變差,卻能保有良好的導電率。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)
圖片為「疊差」缺陷。對於熱電材料來說,為了降低導熱率,理想上可利用「疊差」來調控材料內部「缺陷」,最終目的是導熱變差,卻能保有良好的導電率。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)

熱電材料自有用武之地

熱電材料在實際應用上,發展得比其他再生能源慢,主要原因還是在發電效率不夠好。目前在室溫下最好的熱電材料,轉換效率約 3~4%,相較之下,太陽能發電目前的轉換效率約在 15~20%。這也是熱電材料在能源發展上較少被提及的主因。

「不過其實熱電材料在 600°C~700°C 的高溫下,轉換效率可以超過 10%。」陳洋元說。因此,幾年前美國一度打算將熱電材料用在汽車的廢熱回收,畢竟燃油引擎的油電轉換效率大約在 30% 左右。「剩下的 70% 都變成廢熱排出去了。如果能把其中 10% 的廢熱轉換成電能,等於是引擎效率的一大躍進。」不過後來,隨著電動車逐漸成為主流發展方向,這項應用也就失去關注了。

熱電材料就這樣無英雄用武之地了嗎?並不是。其實早在 30~40 年前,它就已經應用在太空科技上了。太空船或衛星發射到太空中之後,需要電能維持運作,除了太陽能以外,熱電也是重要的電力來源。陳洋元以航海家一號舉例,「它朝著太陽系外離去,過程中太陽光會愈來愈微弱,因此不能完全仰賴太陽能做為電力來源。」因此,航海家一號就有使用熱電技術,其中熱的來源是鈾、鈽等放射性材料,它們在衰變過程會放熱,與外太空趨近絕對零度的環境產生溫差,藉此發電。「這些放射性材料的半衰期是幾十億年,對我們來說像是萬年之毒,但對太空船來說,卻像是永恆的電力來源。」陳洋元說。

熱電轉換效率不佳,但對於缺乏電力來源、外界環境溫度極低,又不怕放射性汙染的太空科技來說,是很好的發電選擇。

此外,熱電材料不只能把熱轉換成電,也能反過來,利用材料兩端的電壓差回推來產生溫度差。也就是說熱電材料的應用不限於發電,它也能做為冷氣、冰箱等使用的溫度計;或是在熱電材料上外加電壓,產生電流,造成材料兩端的溫度差,做為冰箱、電腦 CPU 的致冷元件。

陳洋元也在近兩年,研究開發出薄型熱電晶片,裡面的結構是 128 對微小的 p 型、n 型半導體柱,就像 128 個小小的乾電池串聯一樣,能把熱電效應放大百倍。陳洋元解釋,雖然熱電效率不高,無法用在大型工廠等需要巨大電量的狀況,但這樣的晶片可以用來製作「熱電自充隨身電源」,應用在手機或電子手錶等隨身穿戴式電子裝置上,這類裝置需要的電量不高,但可能隨時有充電需求。「想像一下這樣的場景,你走在路上發現手機沒電了,於是拿出熱電自充隨身電源,利用自身體溫與室溫的溫差,幫手機緊急充電。」

薄型熱電晶片內包含了 128 對 p 型、 n 型半導體,具有輕巧的外形。圖│陳洋元
薄型熱電晶片內包含了 128 對 p 型、n 型半導體,具有輕巧的外形。
圖│陳洋元

隨著網際網路的發展,基地台熱點愈來愈多,這也讓陳洋元對於熱電材料的應用潛力更加樂觀。「在某些偏遠地帶,例如玉山的基地台,電力供給或許就不需要建置發電站,利用熱電材料(透過溫差發電的特性),只要送一桶瓦斯去就好,方便多了!」或者,熱電材料也能與太陽能互補,「因為太陽能發電使用的是太陽光,它的輻射熱並沒有被利用到,這一點可以用熱電材料來加強補足。」陳洋元說。

另外,陳洋元也正在與廠商合作,希望能製作中型、大型的發電機。陳洋元說:「一個熱電晶片大約能發 20 瓦的電,把 25 個晶片合起來,就能有 500 瓦。」儘管成本比一般發電機高,但熱電發電機具有輕巧、無噪音等優點,「我相信它在未來是一個機會。」

熱電材料的研究還在如火如荼的進展著,而陳洋元對它的未來也抱持著樂觀的態度。回頭看看熱電材料的優質係數 ZT 值,「只要我們想辦法降低導熱率,它理論上還能再拉高。」陳洋元說:「現在室溫下的 ZT 值最高是 1 點多,在不久的未來,我們很有可能就突破它了」

研之有物│中央研究院_96
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