閃電是由雷暴云中形成正、負(fù)電荷區(qū)而引起的放電現(xiàn)象雷雨云中積聚的正電荷和負(fù)電荷之間的不平衡引起的放電現(xiàn)象，大多數(shù)閃電發(fā)生在云層之間或云層內(nèi)，少量閃電延伸到地面。我國陸地區(qū)年均日發(fā)生總閃電數(shù)約54600次，如此多的閃電，能否利用“閃電能”為我們生活提供動力呢？我們先來了解閃電中到底蘊含多少能量。

夜晚的閃電（來源：作者拍攝）

【資料圖】

閃電的能量

閃電產(chǎn)生的電流可達(dá)上萬安培，是高壓電線的10倍，同時還會釋放大量的熱量，閃電的溫度比太陽表面還要高5倍，以及可以傳播40千米遠(yuǎn)的聲能——雷聲。雖然閃電放電只在一瞬間，只有約0.001秒，但這一瞬間會產(chǎn)生高達(dá)100億瓦的電。僅一次閃電的電能就可以為340萬戶家庭供電一年會產(chǎn)生巨大的能量。

閃電中攜帶或產(chǎn)生大量的電能、熱能和聲能三種形式的能量。然而，捕捉這種能量并非易事。近年來，科學(xué)家們一直在探索如何儲存利用這些能量

捕獲電力

閃電的瞬間電壓可達(dá)到數(shù)百萬伏至十億伏特，一般的設(shè)備無法承受，更無法將其電力存儲起來被社會和人類所利用。早在1752年本杰明·富蘭克林發(fā)明的避雷針，可以成功地捕獲閃電并將其引導(dǎo)到地下，由于地球表面足夠大，可以吸收無限量的電流，閃電對大地并幾乎沒有影響。而現(xiàn)在我們面臨的挑戰(zhàn)則是如何“駕馭”它。

如何將閃電中攜帶的能量降低到安全水平是最大的難題，目前電網(wǎng)的工作方式為：發(fā)電廠輸送的電力均以幾千伏高壓電在高壓輸電線路中傳輸，再通過多個變電站逐級降壓，最終以220伏的電壓輸送到千家萬戶。然而，將閃電的電壓從數(shù)百萬伏至十億伏特降到更安全的水平是一項更艱巨的任務(wù)，目前還尚不存在能把閃電直接并入電網(wǎng)的技術(shù)。

科學(xué)家們已經(jīng)進(jìn)行了各種嘗試，使用高壓開關(guān)電路和磁性電容器來捕獲和存儲閃電中的電力。目前研究者們已經(jīng)開發(fā)可以將閃電轉(zhuǎn)化為電能的系統(tǒng)，采用安全電壓接入與控制技術(shù)，自動充放電進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，可以將全部或部分閃電的能量轉(zhuǎn)換到蓄電池中。但這些系統(tǒng)還都處于研究測試階段，沒有被廣泛使用。

收集熱量

閃電的能量可以將空氣短暫加熱到27000攝氏度，這比太陽表面溫度還要高出5倍。怎樣才能將如此多的熱量轉(zhuǎn)化為電能利用呢？

一提到把熱能轉(zhuǎn)化為電能，首先想到的就應(yīng)該是用發(fā)電機了，但是大多數(shù)發(fā)電的核心——磁鐵，在加熱時會失去磁性，因此不能利用帶有磁鐵的發(fā)電機將熱能轉(zhuǎn)化為電能。中科院物理所趙懷周研究員的研究團隊近期有一項研究，他們在收集熱量并將其轉(zhuǎn)化為電能方面取得重要進(jìn)展，他們研究發(fā)現(xiàn)稱為paramagnons的微小顆粒充當(dāng)半導(dǎo)體，能夠?qū)崃哭D(zhuǎn)化為電能。[1] 中科院大連化物所的姜鵬研究員團隊發(fā)現(xiàn)Bi0.5Sb1.5Te3/SrTiO3的協(xié)同效應(yīng)，可以顯著提升熱量轉(zhuǎn)化為電能的效率。[2]這些熱電材料能實現(xiàn)電能與熱能交互轉(zhuǎn)變，為收集閃電的熱量提供了一種可能的方法。當(dāng)然，從基礎(chǔ)研究到發(fā)展出可行性的產(chǎn)品還有很長的距離！

轉(zhuǎn)換聲音

我們?nèi)粘＝o手機充電后，手機可以發(fā)出聲音的過程就是將電轉(zhuǎn)化為聲波，那么反之亦然，聲波也可以轉(zhuǎn)換成電能，世界各地正在進(jìn)行聲音發(fā)電的研究。[3]閃電產(chǎn)生的極端熱量會導(dǎo)致它周圍的空氣爆炸，產(chǎn)生雷聲的聲波。在距離其源頭百米的范圍內(nèi)，雷聲可以產(chǎn)生大約120分貝。但是相比之下，現(xiàn)有的交通和城市噪音作為聲能來源更加可靠，更值得進(jìn)行行收集聲音發(fā)電的實驗。

對于電力，供應(yīng)必須滿足穩(wěn)定性的要求。收集閃電能量的挑戰(zhàn)之一是它的間歇性和不可預(yù)測性。閃電在時間和地點上的可預(yù)測性都遠(yuǎn)不如與其他可再生能源，因此目前的研究更多地集中在更成熟的可再生能源上：水能、風(fēng)能和太陽能。而存儲閃電的電力最困難的部分在于需要存儲設(shè)備本身需要承受極高的瞬間電壓而不被損壞。

毫無疑問，閃電中蘊含大量的能量，但如何“駕馭”閃電仍將是眾多科學(xué)家有待解決的科研問題。

參考文獻(xiàn)

[1] Zheng, Y. et al. Paramagnon drag in high thermoelectric figure of merit Li-doped MnTe, Science Advance, 2019;5: eaat94615.

[2] Xueying W. et al. Synergetic enhancement of thermoelectric performance in a Bi0.5Sb1.5Te3/SrTiO3 heterostructure, Journal of Materials Chemistry A, 2020, 8, 10839.

[3] Choi, Jaehoon. et al. A brief review of sound energy harvesting, Nano Energy, 2019, 56, 169-183.

文章由科普中國-星空計劃（創(chuàng)作培育）出品，轉(zhuǎn)載請注明來源。

作者：Denovo 科普作者

審核：中國科學(xué)院大氣物理所 研究員 蔣如斌

標(biāo)簽：