华人科学家开发出新型热离子能量转换器

据《麻省理工科技评论》报道，华人科学家潘世昂领导的Modern Electron 公司，利用计算机模拟和新材料技术，开发了新型热离子能量转换器。该产品可嵌入煤气灶、燃气热水器等家用产品中，将这些设备的余热转化成电能，降低家庭的整体用电成本，还可以与间歇性的太阳能和风能形成互补系统，减少电力行业的温室气体排放。

热离子能量转换器是热电转换系统的核心部件之一，主要由放出电子的高温电极 (发射极) 和与之面对面放置的低温电极 (接收极) 构成。两片金属电极之间是真空状态，任何来自外界的热量聚集，会激发其中一块金属板上的电子越过缝隙，到达另一块温度更低的金属板，从而产生电流。在太空中长时间工作的卫星，曾经有部分搭载热离子空间核电源，将核反应堆裂变产生的热能通过热离子能量转换器，直接转变为电能。从20 世纪美苏太空竞赛开始，人类对这一技术已有长期的研究。 但是，要将太空中使用的热离子能量转换器带入家庭，关键是提升能量转化效率并降低能量转化时所需要的温度。要实现转化效率的提升，必须提高电子离开发射极的效率和电子进入接收极的效率。转化效率与电极表面材料、电子走向密切相关。由于电子并非从发射极出来，径直地飞向接收极，完成能量转换，而是大量电子一起出现在同一个真空环境中，因带有负电荷而互相排斥，控制其走向是一个相当棘手的难题。大约 20～30 年前，该领域的科学家曾对热离子能量转换器发起集中攻关，由于当时无法掌握电子在其中的运动，只能一次又一次改变设计，再进行实验，需要用很长的时间探索效率更高的设计方案。

Modern Electron 公司开发了专门的软件，借助并行计算、机器学习等技术，短时间内即可在软件上对电子的运动进行超过 50 万次的模拟，从而更好地掌握了电子运动的规律和走向控制技术，并首次使用普通廉价材料制成了热离子能量转换器，其效率达到了传统热离子能量转换器的 2～3 倍。潘世昂也因此入选《麻省理工科技评论》2020 年度全球“35 岁以下科技创新 35 人”全球榜单。

（王 波）