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穿透大氣層送熱到太空

 
 
 

天氣好熱,有辦法降溫嗎?科學家正在研究如何把蓄積在地球大氣層裡的熱送往太空。

 

地表溫度大約是攝氏25度,換算成絕對溫度是298K。而在地球上方有一層大氣,大氣外的空間就是太空,太空中的溫度是絕對溫度3K。因此對比於地球表面,太空可說是個極低溫、極巨大的冷凍櫃。為利用這個大冰櫃,清華大學動力機械工程學系陳玉彬教授與許多科學家一樣,都想突破大氣障礙,把蓄積在地表的熱送往太空,而在已知的各種傳熱機制中,「輻射」是個相當理想的方式。

 

「輻射」是指高溫的物體透過電磁波或光的放射,把熱能向外散播並降低自身溫度的一種傳熱方式。與其他熱傳機制,輻射的優點很多,如:不需使用移動器械,無噪音、震動、保養、維修等問題,也不需額外供電或能源,而且傳熱速度超快(約與光速相同),傳熱量巨大(與絕對溫度的四次方成正比,其他傳熱方式僅一次方),更重要的是在真空中也能傳遞。因此雖然自然界中有霾害、雲霧、沙塵等會降低傳熱效率,但是「利用輻射把熱由地表傳至太空」已成為近年來降低地球溫室效應的主流研究。

 

輻射傳熱的應用並非最近才有,其實早在數十年前各國發展太空計畫時,因為它是太空飛行器(如:人造衛星、登月或火星小艇)向外散熱的唯一方式,也是從太陽獲取能源的唯一途徑,因此輻射傳熱早已是研究重點。後因太空計畫叫停而中斷,直到近日地球暖化問題受重視後才重獲青睞。

 

輻射以光或電磁波的型式傳播能量,或稱「熱」,其波段範圍涵括紫外光、可見光與紅外光,這些光的行進速度一樣,惟波長或頻率不同。陳教授表示,凡絕對溫度大於0K的物體,包括人體在內,都會向外輻射傳熱,只是各波段強弱不同。如人體表面會向外輻射紅外光為主的波段來散熱,太陽的輻射則是以可見光為主。

 

長久以來都是太陽透過輻射把能量送到地球,讓人們享受它的溫暖。但如今我們面臨了一個困擾,就是:大部分較短波長的太陽光能穿越大氣層至地表,但是地表放出的中紅外光「熱輻射」卻出不去,這些能量都蓄積在大氣層內使得地表溫度上升,形成了溫室效應。地球大氣層一向是一種波長選擇性的熱輻射遮罩,但它並非無懈可擊,仍有部分波長的中紅外光可以穿透。陳教授就以這些波段為目標,希望能製作尺寸與波長接近的微小元件,以便這波段的熱輻射得以穿透大氣層抵達太空,實現「輻射冷卻」的理想。

 

陳教授的「輻射冷卻」方法包含蒸鍍金屬薄膜與微加工製作,或改變結構的周期與形貌,然後再針對放射角度範圍與目標波長調整物體的放射率。他說:「當放射率在8到14微米處較高,而其他波段較低時,就可讓元件在較無阻礙的情況下把熱排到太空中。」「未來若能再降低成本且大面積製作,這種散熱裝置應可提供給煉鋼、煉鋁等工業大廠或空曠地區的獨立建築物使用。」

 

地球暖化所引起的天候異常已讓我們備嘗苦果,科學家們想盡各種方法以解決問題,如今陳教授的團隊想出把熱能送往太空的構想令人振奮。然而,降低溫室效應並非只是科學家或工程師的事,而是人人有責,唯有大家齊心減少碳的排放量,不再製造可能致使地球暖化的行為,才是根本的解決方法。

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