Only Perception: 無須煮沸，以日光產生蒸氣！

2013-02-04

無須煮沸，以日光產生蒸氣！

Researchers report major advance in using sunlight to produce steam without boiling water
http://phys.org/news/2012-11-major-advance-sunlight-steam.html

November 19, 2012

(Phys.org) -- （英國）Rice 大學科學家有一項革命性的新技術，那利用奈米粒子直接將太陽能轉換成蒸氣。這種新的 "solar steam（太陽能蒸氣，下文均用原文）" 方法來自 Rice 的奈米光子實驗室（Laboratory for Nanophotonics，LANP），其效率如此之高，甚至能從冰冷的水中產生蒸氣。

Solar steam 的細節今日發表在 ACS Nano 期刊線上版。這項技術有 24% 的總體能源效率（overall energy efficiency）。相較之下，光伏太陽能板一般只有大約 15% 的總體能源效率。然而，solar steam 的發明者表示，他們預期這種新技術的第一個用途並非用於發電，而是在發展中國家的環境衛生與淨水。

"這不僅僅是電力，" LANP 主任 Naomi Halas 表示，此計畫的領導科學家。"透過這項技術，我們能開始以完全不同的方式思考太陽熱能（solar thermal power）。"

Solar steam 的效率是來自於光捕捉奈米粒子，當湮沒在水中並暴露在日光下，粒子變熱如此之迅速，以至於它們能立即汽化水並創造蒸氣。Halas 表示，當 solar steam 經過提昇，此技術的總體能源效率或能再增加。

"我們將要從大規模的情況下加熱水，變成在奈米尺度下加熱它，" Halas 說。 "我們的粒子非常小 -- 甚至比光波長還小 -- 這意味著它們的表面積非常小以至於無法使熱消散。這種強烈的加熱使我們能局部性地產生蒸氣，就在粒子的表面，而局部性地產生蒸氣真的是違反直覺。"

為了證明有多麼違反直覺，Rice 畢業生 Oara Neumann 拍攝 solar steam 的示範影片，在其中，一根裝水且包含光活化奈米粒子的試管浸入一缸冰水中。利用透鏡將日光集中到試管內近乎冰凍的混合物上，Neumann 證明她能夠從近乎冰凍的水中創造出蒸氣。

蒸氣是世上最常使用的工業液體。大約 90% 的電力產生自蒸氣，而蒸氣也用來消毒醫療廢棄物與外科手術器具，用來製備食物與淨水。絕大部分的工業用蒸氣都來自於大型的蒸氣鍋爐，Halas 表示 solar steam 的效率能使蒸氣在非常小的尺度上變得經濟。

在開發中國家的人們將是率先看到 solar steam 利益的那一批人。Rice 的工程科系在學生已經創造出一套 solar steam 加持的消毒器（autoclave），能在缺乏電力的診所消毒醫療與牙醫器具。Halas 亦從 Bill and Melinda Gates 基金會獲得大挑戰（Grand Challenges）獎，要創造出一套超小型的系統，在沒有下水道系統或電力的地區處理人類廢棄物。

"Solar steam 因其效率而引人注意，" Neumann 說，論文的共同作者。"它不需要好幾畝的鏡子或太陽能板。事實上，足跡可以非常的小。例如：在我們的示範消毒器中，光窗（light window）只有幾平方公分。"

另一種可能的應用是提供動力給混合式空調與加熱系統，那在白天使用日光，夜晚使用電力。Halas、Neumann 等人也進行蒸餾實驗，並發現 solar steam 的效率比現有的蒸餾柱要高出 2.5 倍。

Halas -- Stanley C. Moore 電機與電腦工程教授（物理教授、化學教授以及生物工程教授）-- 為世上最著名的化學家之一。其實驗室專精創造與研究光活化粒子。她的作品之一，金奈米殼（gold nanoshells），是幾項癌症療法臨床試驗的主題。

為了癌症治療技術以及其他許多應用，Halas 的團隊選擇只與少數波長的光進行交互作用的粒子。在 solar steam 計畫中，Halas 與 Neumann 則著手設計出盡可能與所有太陽光光譜進行交互作用的粒子。她們的新奈米粒子能由可見光與波長更短的、人眼看不見的光活化。

"我們沒有改變任何熱動力學定律，" Halas 說。"我們只是以截然不同的方式煮沸水。"

※ 相關報導：

＊ Solar Vapor Generation Enabled by Nanoparticles
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn304948h