全球7大前沿技術，讓太陽能電池效率翻番？

　　穆勒相信，他的研究組最終能制造出合適的波—轉子發動機，并將它們成功應用于更清潔的混合動力車上，從小型摩托車到家用轎車和運輸卡車，他對此似乎毫不懷疑。“這只是時間、努力和想象力的問題，當然，還有資金問題”。

　　人們消費的能源中，有60%白白浪費掉了，其中大部分以熱的形式從汽車排氣管和發電廠的煙囪中逃走。通用汽車公司的科學家正試圖利用一種被稱為“形狀記憶合金”（shape-memory alloys）的新型材料，來捕捉這些寶貴的能量。形狀記憶合金能將熱能轉化為機械能，進而產生電力。該研究組組長艾倫·布朗（Alan Browne）的第一個目標是，回收汽車排氣系統中散發的熱能，驅動車載空調或音響系統。

　　布朗計劃使用由數條平行的鎳—鈦合金薄線組成的合金帶來收集熱能，它能“記住”某種特定形狀。所有形狀記憶合金都能在兩種狀態之間來回變換：在較高溫度下較堅硬的本態與較低溫度下更為柔韌的狀態。在這個設計中，合金帶繞過呈三角形排列的3個滑輪。其中一角處的合金帶接近熾熱的排氣系統，而另一角則位于溫度較低的遠端。合金帶在高溫處收縮，低溫處伸張，就會讓自己沿這個三角環路轉動并帶動滑輪旋轉，進而通過軸承驅動發電機。溫差越大，環路轉動越快，產生的能量也就越多。

　　通用汽車公司制造的原型機由一條僅10克重的合金帶來產生兩瓦特功率，可以點亮一盞小燈。布朗聲稱，10年內，這種發電機產生的功率就會提高到商用的標準。他還補充說，為家用電器或發電廠冷卻塔安裝這種記憶合金熱力發電機，不存在任何技術障礙。該項目的合作者、美國HRL實驗室的材料科學家杰夫·麥克奈特（Geoff McKnight）說，這種合金為先前被認為是無法實現的一些應用領域開辟了新天地，因為即使溫差只有10℃，它們也可以使用。

　　通用汽車公司的設計并不復雜，但離實用仍很遙遠。形狀記憶合金容易疲勞，會變得脆而易碎；需要連續處理3個月才能重新回到“本態”的形狀記憶；合金線很難組合成帶；如何解決利用空氣來有效加熱和冷卻合金帶也是一個挑戰。布朗沒有具體說明目前如何解決這些問題，而只提到他們不斷調整合金線的直徑、形狀，以及加熱和冷卻的方式。換句話說，他們正在調試“科學上的和人能想象得到的”所有參數。

　　通用汽車公司并不是唯一一家試圖利用廢熱來產生能量的機構。美國伊利諾伊大學的桑吉夫·辛哈（Sanjiv Sinha）正在研發一種可彎曲的固態材料，它也能將熱力轉化為電能。如果熱力發電機能被安裝在現有或未來的設備中，它就會有近乎無限的應用前景：從數千座的冷卻塔和工業鍋爐，到數以百萬計的家用暖氣、冰箱和煙囪，還有拖拉機、卡車、火車和飛機。全世界會有數百億億焦耳的能量可以被回收利用，極大降低化石燃料的消耗。

　　車輛工程

　　沖擊波汽車發動機

　　汽車油耗將降低80%

　　車輛工程沖擊波汽車發動機

　　一個多世紀以來，幾乎所有轎車和卡車都使用的是活塞式發動機。即便是目前最新型的混合動力車，以及雪佛蘭沃爾特電動車這樣的全新概念車，也都還在使用小型活塞式發動機來提供動力和為電池充電。然而，美國密歇根州立大學正在研發一種完全不同的、不使用活塞的發動機。它被稱為波—轉子發動機（wave-disk engine）或沖擊波發動機（shock-wave engine）。如果取得成功，未來混合動力汽車的油耗就能降低80%。

　　密歇根州立大學機械工程教授諾伯特·穆勒（Norbert Müller）是發明者之一，他說，這種緊湊型發動機僅有家用蒸鍋大小，需要的部件也比活塞式發動機少得多。這種發動機將不再需要活塞、連桿和汽缸。重量的減輕和燃油效率的提高“能在消耗同樣數量燃料的前提下，讓一輛裝備再生制動裝置的插電式混合動力車的行駛距離增加4倍，相應的二氧化碳排放量也會減少80%”。不僅如此，該系統還能使制造成本降低30%。

　　在位于美國東蘭辛的實驗室里，穆勒和他的研究組正在測試一部波—轉子發動機原型。他們的目標是，制造出一臺25千瓦（33馬力）功率發動機。他希望首臺發動機能量轉化效率可達30%左右，而目前最好的柴油發動機所能達到的效率是45%。但是，他對改進型發動機能夠將效率提升到65%持樂觀態度。

　　在傳統電火花點火發動機中，火花塞引燃汽缸中汽油和空氣的混合物，來推進活塞驅動曲柄軸，曲柄軸再帶動車輪旋轉。柴油發動機是通過活塞來高度壓縮燃料和空氣，將它們點燃。燃燒的氣體膨脹，將活塞推回去，進而帶動曲柄軸。

　　在波—轉子發動機設計中，產生動力的過程是在一個旋轉的渦輪中進行的。渦輪就像平放在桌面上的電腦風扇（轉子），有許多彎曲的葉片和外殼。壓縮后的高溫空氣和燃料經過位于中央的軸，被導入葉片之間的空隙。當高度壓縮的混合氣體被點燃時，燃燒的氣體在有限空間里急速膨脹而形成沖擊波，壓縮剩余部分的空氣；從外殼上反射回來的沖擊波也會進一步壓縮和加熱空氣。最后，經過壓縮和加熱的氣體會在恰當時機通過外殼釋放出去。壓縮氣體在彎曲的葉片上施加的力，和氣體噴射產生的力一起，驅動轉子旋轉，進而帶動曲柄軸。

　　據波—轉子發動機的另一發明人，波蘭華沙科技大學（Warsaw University of Technology）的副教授雅努什·皮埃切納（Janusz Piechna）介紹說，從1906年起，工程師們就開始研究波—轉子裝置了，而且它們已經被用在了一些賽車的增壓器里。但是，穆勒說，里面不穩定的氣流非常難控制。要想預測這些間歇性氣流極其復雜的非線性行為，需要進行精細的數值計算，這類計算一直都因為太過費時或不夠精確而無法達到要求，該問題直到近幾年才得以解決。目前，密歇根州立大學和其他一些研究機構正通過高仿真模擬，來輔助葉片幾何形狀的精密設計，以及精確到零點幾秒的燃燒時間控制，期望得到最佳性能。

　　計算機模型能否最終變成在路上跑的實際產品，我們還不得而知。“波—轉子技術的應用可能會很困難，”丹尼爾·E·帕克森（Daniel E. Paxson）說，他在美國航空航天局戈蘭研究中心（NASA Glenn Research Center）從事流體模型設計。帕克森認為，密歇根州立大學的研究 “毫無疑問是超前了”。他的評論既包含著務實的懷疑，更有從創新角度的贊賞。“無論最終的結果是什么，我確信他們都會學到很多”。

　　穆勒相信，他的研究組最終能制造出合適的波—轉子發動機，并將它們成功應用于更清潔的混合動力車上，從小型摩托車到家用轎車和運輸卡車，他對此似乎毫不懷疑。“這只是時間、努力和想象力的問題，當然，還有資金問題”。

　　家用電器

　　磁體制冷機

　　能為冰箱和房間制冷的特殊合金

　　家用電器磁體制冷機

　　在日常生活中，我們通常使用空調、冰箱和冰柜來制冷，但它們都需要能量驅動，所消耗的電能占到美國家庭耗電量的1/3。而一項依賴于磁體的全新制冷技術，能顯著降低這部分能耗。

　　大多數商業化制冷機，都是通過反復壓縮和膨脹氣體或液體制冷劑來制冷。隨著制冷劑的循環，能將熱量從房間或設備中吸出帶走。然而，壓縮機的能耗巨大，并且要是最常用的那些制冷氣體泄漏出去的話，它們的每一個分子對大氣層的加熱效率要比一個二氧化碳分子至少高1 000倍。

　　美國宇航公司（Astronautics Corporation of America）的研究人員正在研發一種不使用壓縮機，而是基于磁體的新型制冷機。從某種程度上來說，所有磁性材料都會在被置入磁場后升溫，在移出磁場后降溫，這一特性被稱為“磁致熱效應”（magnetocaloric effect）。原子通過自身振動貯存能量；而當外加磁場將金屬中的電子有序排列，并阻止它們自由移動時，金屬原子的振動就會加強，溫度隨之增加。移除磁場后，溫度則會降低。雖然這一效應早在1881年就被發現，但它的商用價值卻一直被人忽視。這是因為，從理論上來說，只有在極低的溫度下使用超導磁體，才能將這種效應最大化到產生可利用的效果。然而在1997年，美國能源部愛艾姆斯實驗室（U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory）的材料科學家偶然發現，一種由釓、硅和鍺構成的合金能在室溫下顯示出巨大的磁致熱效應。自那時