每日簡訊：閃電中有多少能量？我們能“駕馭”這些能量嗎？

閃電是由雷暴云中形成正、負電荷區而引起的放電現象雷雨云中積聚的正電荷和負電荷之間的不平衡引起的放電現象，大多數閃電發生在云層之間或云層內，少量閃電延伸到地面。我國陸地區年均日發生總閃電數約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

閃電產生的電流可達上萬安培，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，但這一瞬間會產生高達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生巨大的能量。

閃電中攜帶或產生大量的電能、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到數百萬伏至十億伏特，一般的設備無法承受，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·富蘭克林發明的避雷針，可以成功地捕獲閃電并將其引導到地下，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。而現在我們面臨的挑戰則是如何“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，目前電網的工作方式為：發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，目前還尚不存在能把閃電直接并入電網的技術。

科學家們已經進行了各種嘗試，使用高壓開關電路和磁性電容器來捕獲和存儲閃電中的電力。目前研究者們已經開發可以將閃電轉化為電能的系統，采用安全電壓接入與控制技術，自動充放電進行能量轉換，可以將全部或部分閃電的能量轉換到蓄電池中。但這些系統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化為電能利用呢？

一提到把熱能轉化為電能，首先想到的就應該是用發電機了，但是大多數發電的核心——磁鐵，在加熱時會失去磁性，因此不能利用帶有磁鐵的發電機將熱能轉化為電能。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化為電能方面取得重要進展，他們研究發現稱為paramagnons的微小顆粒充當半導體，能夠將熱量轉化為電能。[1] 中科院大連化物所的姜鵬研究員團隊發現Bi0.5Sb1.5Te3/SrTiO3的協同效應，可以顯著提升熱量轉化為電能的效率。[2]這些熱電材料能實現電能與熱能交互轉變，為收集閃電的熱量提供了一種可能的方法。當然，從基礎研究到發展出可行性的產品還有很長的距離！

轉換聲音

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

對于電力，供應必須滿足穩定性的要求。收集閃電能量的挑戰之一是它的間歇性和不可預測性。閃電在時間和地點上的可預測性都遠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家有待解決的科研問題。

參考文獻

[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（創作培育）出品，轉載請注明來源。

作者：Denovo 科普作者

審核：中國科學院大氣物理所 研究員 蔣如斌

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