《环球科学》：7大颠覆性技术破解能源危机(3)

　　废热利用

　　热力发电机

　　形状记忆合金利用废热带来额外能量

　　撰文 比扎尔· P · 特里维迪( Bijal P. Trivedi)

　　在美国，人们消费的能源中，有60%白白浪费掉了，其中大部分以热的形式从汽车排气管和发电厂的烟囱中逃走。通用汽车公司的科学家正试图利用一种被称为“形状记忆合金”(shape-memory alloys)的新型材料，来捕捉这些宝贵的能量。形状记忆合金能将热能转化为机械能，进而产生电力。该研究组组长艾伦·布朗(Alan Browne)的第一个目标是，回收汽车排气系统中散发的热能，驱动车载空调或音响系统。

　　布朗计划使用由数条平行的镍—钛合金薄线组成的合金带来收集热能，它能“记住”某种特定形状。所有形状记忆合金都能在两种状态之间来回变换：在较高温度下较坚硬的本态与较低温度下更为柔韧的状态。在这个设计中，合金带绕过呈三角形排列的3个滑轮。其中一角处的合金带接近炽热的排气系统，而另一角则位于温度较低的远端。合金带在高温处收缩，低温处伸张，就会让自己沿这个三角环路转动并带动滑轮旋转，进而通过轴承驱动发电机。温差越大，环路转动越快，产生的能量也就越多。

　　通用汽车公司制造的原型机由一条仅10克重的合金带来产生两瓦特功率，可以点亮一盏小灯。布朗声称，10年内，这种发电机产生的功率就会提高到商用的标准。他还补充说，为家用电器或发电厂冷却塔安装这种记忆合金热力发电机，不存在任何技术障碍。该项目的合作者、美国HRL实验室的材料科学家杰夫·麦克奈特(Geoff McKnight)说，这种合金为先前被认为是无法实现的一些应用领域开辟了新天地，因为即使温差只有10℃，它们也可以使用。

　　通用汽车公司的设计并不复杂，但离实用仍很遥远。形状记忆合金容易疲劳，会变得脆而易碎；需要连续处理3个月才能重新回到“本态”的形状记忆；合金线很难组合成带；如何解决利用空气来有效加热和冷却合金带也是一个挑战。布朗没有具体说明目前如何解决这些问题，而只提到他们不断调整合金线的直径、形状，以及加热和冷却的方式。换句话说，他们正在调试“科学上的和人能想象得到的”所有参数。

　　通用汽车公司并不是唯一一家试图利用废热来产生能量的机构。美国伊利诺伊大学的桑吉夫·辛哈(Sanjiv Sinha)正在研发一种可弯曲的固态材料，它也能将热力转化为电能。如果热力发电机能被安装在现有或未来的设备中，它就会有近乎无限的应用前景：从数千座的冷却塔和工业锅炉，到数以百万计的家用暖气、冰箱和烟囱，还有拖拉机、卡车、火车和飞机。全世界会有数百亿亿焦耳的能量可以被回收利用，极大降低化石燃料的消耗。

　　车辆工程

　　冲击波汽车发动机

　　汽车油耗将降低80%

　　撰文 史蒂芬· 阿什利( Steven Ashley)

　　一个多世纪以来，几乎所有轿车和卡车都使用的是活塞式发动机。即便是目前最新型的混合动力车，以及雪佛兰沃尔特电动车这样的全新概念车，也都还在使用小型活塞式发动机来提供动力和为电池充电。然而，美国密歇根州立大学正在研发一种完全不同的、不使用活塞的发动机。它被称为波—转子发动机(wave-disk engine)或冲击波发动机(shock-wave engine)。如果取得成功，未来混合动力汽车的油耗就能降低80%。

　　密歇根州立大学机械工程教授诺伯特·穆勒(Norbert Müller)是发明者之一，他说，这种紧凑型发动机仅有家用蒸锅大小，需要的部件也比活塞式发动机少得多。这种发动机将不再需要活塞、连杆和汽缸。重量的减轻和燃油效率的提高“能在消耗同样数量燃料的前提下，让一辆装备再生制动装置的插电式混合动力车的行驶距离增加4倍，相应的二氧化碳排放量也会减少80%”。不仅如此，该系统还能使制造成本降低30%。

　　在位于美国东兰辛的实验室里，穆勒和他的研究组正在测试一部波—转子发动机原型。他们的目标是，制造出一台25千瓦(33马力)功率发动机。他希望首台发动机能量转化效率可达30%左右，而目前最好的柴油发动机所能达到的效率是45%。但是，他对改进型发动机能够将效率提升到65%持乐观态度。

　　在传统电火花点火发动机中，火花塞引燃汽缸中汽油和空气的混合物，来推进活塞驱动曲柄轴，曲柄轴再带动车轮旋转。柴油发动机是通过活塞来高度压缩燃料和空气，将它们点燃。燃烧的气体膨胀，将活塞推回去，进而带动曲柄轴。

　　在波—转子发动机设计中，产生动力的过程是在一个旋转的涡轮中进行的。涡轮就像平放在桌面上的电脑风扇(转子)，有许多弯曲的叶片和外壳。压缩后的高温空气和燃料经过位于中央的轴，被导入叶片之间的空隙。当高度压缩的混合气体被点燃时，燃烧的气体在有限空间里急速膨胀而形成冲击波，压缩剩余部分的空气；从外壳上反射回来的冲击波也会进一步压缩和加热空气。最后，经过压缩和加热的气体会在恰当时机通过外壳释放出去。压缩气体在弯曲的叶片上施加的力，和气体喷射产生的力一起，驱动转子旋转，进而带动曲柄轴。

　　据波—转子发动机的另一发明人，波兰华沙科技大学(Warsaw University of Technology)的副教授雅努什·皮埃切纳(Janusz Piechna)介绍说，从1906年起，工程师们就开始研究波—转子装置了，而且它们已经被用在了一些赛车的增压器里。但是，穆勒说，里面不稳定的气流非常难控制。要想预测这些间歇性气流极其复杂的非线性行为，需要进行精细的数值计算，这类计算一直都因为太过费时或不够精确而无法达到要求，该问题直到近几年才得以解决。目前，密歇根州立大学和其他一些研究机构正通过高仿真模拟，来辅助叶片几何形状的精密设计，以及精确到零点几秒的燃烧时间控制，期望得到最佳性能。

　　计算机模型能否最终变成在路上跑的实际产品，我们还不得而知。“波—转子技术的应用可能会很困难，”丹尼尔·E·帕克森(Daniel E. Paxson)说，他在美国航空航天局戈兰研究中心(NASA Glenn Research Center)从事流体模型设计。帕克森认为，密歇根州立大学的研究 “毫无疑问是超前了”。他的评论既包含着务实的怀疑，更有从创新角度的赞赏。“无论最终的结果是什么，我确信他们都会学到很多”。

　　穆勒相信，他的研究组最终能制造出合适的波—转子发动机，并将它们成功应用于更清洁的混合动力车上，从小型摩托车到家用轿车和运输卡车，他对此似乎毫不怀疑。“这只是时间、努力和想象力的问题，当然，还有资金问题”。