干擾波段能量利用：從電磁污染到新能源的范式轉(zhuǎn)變一、引言：干擾波段的能源潛力在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代，電磁環(huán)境日益復(fù)雜，各種無(wú)線通信設(shè)備、工業(yè)設(shè)備和電力傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾已成為不可忽視的"污染"。傳統(tǒng)上，這些干擾波段被視為通信和電力傳輸?shù)恼系K，工程師們致力于消除或屏蔽這些干擾以保障系統(tǒng)性能(1)。然而，隨著能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題日益突出，科學(xué)家們開(kāi)始重新審視這些"電磁噪聲"的價(jià)值——它們實(shí)際上是一種豐富的、未被充分利用的能源資源。干擾波段的主要特點(diǎn)是寬頻性和隨機(jī)性。不同于單一頻率的通信信號(hào)，干擾通常覆蓋較寬的頻率范圍，且其能量分布具有隨機(jī)性(2)。這些特性使得干擾波段的能量收集面臨挑戰(zhàn)，但同時(shí)也提供了獨(dú)特的機(jī)遇。與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能或風(fēng)能相比，電磁干擾能量更為穩(wěn)定，幾乎無(wú)處不在，尤其在城市和工業(yè)區(qū)等電磁環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域(3)。干擾波段能量利用技術(shù)的發(fā)展有望帶來(lái)一場(chǎng)能源革命。通過(guò)將無(wú)處不在的電磁干擾轉(zhuǎn)換為可用電能，我們可以為低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、傳感器網(wǎng)絡(luò)和可穿戴設(shè)備提供持久的電力支持，減少對(duì)傳統(tǒng)電池的依賴(lài)(4)。這不僅能降低維護(hù)成本，還能減少電子垃圾，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。本文將系統(tǒng)探討干擾波段能量利用的最新研究進(jìn)展，分析其技術(shù)挑戰(zhàn)和解決方案，并展望這一領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展方向。特別地，我們將關(guān)注材料科學(xué)、電子工程和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新如何協(xié)同推動(dòng)干擾波段能量利用技術(shù)的突破，以及這些技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)、深空探測(cè)和醫(yī)療植入設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。二、干擾波段能量利用的技術(shù)基礎(chǔ)與研究進(jìn)展2.1寬頻能量收集技術(shù)寬頻響應(yīng)是干擾波段能量利用的核心挑戰(zhàn)之一。傳統(tǒng)的能量收集裝置通常設(shè)計(jì)為針對(duì)特定頻率或窄帶信號(hào)，難以有效捕獲寬頻干擾能量。近年來(lái)，研究人員開(kāi)發(fā)了多種創(chuàng)新技術(shù)來(lái)拓展能量收集的頻率響應(yīng)范圍。一種有效的方法是利用非線性振動(dòng)原理。MIT的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于非線性聚合物彈簧和電磁/摩擦電混合機(jī)制的寬帶能量收集器，能夠在0.1g至2.0g的寬加速度范圍內(nèi)工作(12)。該裝置通過(guò)引入非線性剛度效應(yīng)和多模態(tài)能量收集，在低加速度下利用聚合物彈簧的鄰近模態(tài)頻率實(shí)現(xiàn)帶寬擴(kuò)展，在高加速度下通過(guò)機(jī)械限位器引入非線性剛度效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，即使在0.1g的低加速度下，該裝置仍能實(shí)現(xiàn)40Hz的帶寬，在2g加速度下帶寬增加到68Hz，帶寬百分比增加了295%(12)。另一種創(chuàng)新方法是采用頻率上轉(zhuǎn)換機(jī)制。德克薩斯大學(xué)河谷分校的研究人員開(kāi)發(fā)了一種單諧振器電磁能量收集器，利用沖擊驅(qū)動(dòng)的頻率上轉(zhuǎn)換機(jī)制將多跨梁在移動(dòng)載荷下的低頻振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能(8)。該裝置由塑料懸臂梁作為諧振器，其自由端附有厚方形銅線圈，線圈在兩個(gè)固定的立方釹鐵硼永磁體之間移動(dòng)。為了擴(kuò)展收集器的工作帶寬，在諧振器下方設(shè)置了限位器，在懸臂梁振動(dòng)時(shí)引起受控的機(jī)械沖擊。這些沖擊有效地增加了系統(tǒng)的剛度，引入非線性動(dòng)態(tài)效應(yīng)，拓寬了共振頻率范圍，從而提高了能量收集效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于給定的材料特性和幾何尺寸，具有7mm沖擊間隙的制造原型在0.20g的峰值加速度下將最大感應(yīng)電壓從無(wú)沖擊時(shí)的32mV增加到有沖擊時(shí)的43mV，同時(shí)將頻率帶寬拓寬了1Hz(8)。這種方法特別適用于橋梁、道路和鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施中的能量收集，這些地方的振動(dòng)通常為低頻且幅度變化較大。此外，麻省理工學(xué)院還開(kāi)發(fā)了一種基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的超寬帶能量收集器，利用非線性剛度提供被動(dòng)反饋，從而實(shí)現(xiàn)超寬帶共振(11)。這種寬共振帶寬使得在輸入振動(dòng)譜不確定的情況下仍能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的發(fā)電。機(jī)械測(cè)試顯示，位移帶寬提高了10倍，模擬預(yù)測(cè)電功率帶寬比傳統(tǒng)線性設(shè)計(jì)提高了100倍(11)。2.2干擾信號(hào)能量收集技術(shù)在射頻(RF)能量收集領(lǐng)域，研究人員針對(duì)干擾信號(hào)的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了多種高效收集技術(shù)。5.8GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段是干擾較為集中的區(qū)域，也是能量收集的重要目標(biāo)頻段。MDPI的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種集成方形電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)的緊湊型高效微帶天線，用于5.8GHz射頻能量收集，為無(wú)電池物聯(lián)網(wǎng)傳感器和醫(yī)療設(shè)備供電(9)。該天線采用緊湊型設(shè)計(jì)，物理尺寸減小到36×40mm2(0.69λo×0.76λo)，同時(shí)提供高性能參數(shù)，如-27.9dB的反射系數(shù)、1.08的電壓駐波比、7.91dBi的增益、8.1dBi的方向性、188MHz的帶寬和95.5%的輻射效率。引入EBG單元抑制了表面波，增強(qiáng)了增益，并通過(guò)50Ω嵌入饋電優(yōu)化了阻抗匹配。仿真和測(cè)量結(jié)果顯示出高度相關(guān)性，證明了該設(shè)計(jì)對(duì)于需要緊湊尺寸和高能效操作的高性能無(wú)線系統(tǒng)的穩(wěn)健性和前景(9)。此外，一種基于新型缺陷接地結(jié)構(gòu)(DGS)的寬頻天線被開(kāi)發(fā)用于射頻能量收集(13)。該天線能夠在5.314-6.54GHz范圍內(nèi)工作，中心頻率為5.8GHz，這是Wi-Fi使用的頻段。設(shè)計(jì)中在饋線下方引入了新型缺陷接地結(jié)構(gòu)以拓寬天線帶寬，采用相對(duì)介電常數(shù)為2.2的RogersRT5880(有損耗)材料進(jìn)行制造。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)對(duì)制造的天線進(jìn)行S11測(cè)量，結(jié)果與仿真結(jié)果一致。在5.8GHz、5.314GHz和6.54GHz處獲得的增益分別為5.703dB、7.12dB和5.3dB。該天線可用于多種能量收集應(yīng)用(13)。2.3電磁干擾屏蔽與能量收集一體化技術(shù)電磁干擾(EMI)屏蔽與能量收集的一體化設(shè)計(jì)是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的電磁干擾屏蔽材料主要用于保護(hù)電子設(shè)備免受電磁干擾，而新型多功能材料不僅能屏蔽電磁干擾，還能將收集的電磁能量轉(zhuǎn)換為電能或儲(chǔ)存起來(lái)。多倫多大學(xué)顏寧教授團(tuán)隊(duì)與北京工業(yè)大學(xué)蒲俊文教授團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)了一種集成多波段電磁干擾屏蔽和儲(chǔ)能功能的新型纖維素纖維復(fù)合材料(1)。該研究通過(guò)對(duì)纖維素纖維進(jìn)行多尺度界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及磁性成分和導(dǎo)電聚合物的摻入，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料的能量存儲(chǔ)、多波段電磁干擾屏蔽功能，填補(bǔ)了生物質(zhì)基材料的關(guān)鍵空白。該復(fù)合材料在L、S、C和X波段(1.13-12.4GHz)的電磁屏蔽性能進(jìn)行了評(píng)估，覆蓋了日常生活中絕大多數(shù)消費(fèi)電子設(shè)備發(fā)射的典型電磁波。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該復(fù)合材料在多波段表現(xiàn)出高效的電磁屏蔽干擾性能，超過(guò)99.99%(1)。更重要的是，這種復(fù)合材料將儲(chǔ)能、電磁干擾屏蔽和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)集成到生物質(zhì)基材料中。通過(guò)在酸性條件下使用NaClO?將木材樣品脫木素，得到具有三維的纖維素纖維骨架多孔結(jié)構(gòu)(CFS)；再對(duì)CFS進(jìn)行溫和的TEMPO氧化，得到改性纖維素纖維(T-CFS)，該改性纖維素纖維不僅具有較高的比表面積，而且具有多層連通的多孔結(jié)構(gòu)，纖維表面有更多的活性位點(diǎn)；最后，在改性纖維結(jié)構(gòu)上將吡咯單體與Fe3?原位聚合，形成穩(wěn)定的電荷轉(zhuǎn)移層，構(gòu)建聚吡咯(PPy)@Fe3?-TEMPO纖維素纖維多功能復(fù)合材料(PPy@Fe3?/T-CFS-MC)(1)。性能測(cè)試表明，PPy@Fe3?/T-CFS-MC在輕度TEMPO氧化后表現(xiàn)出比PPy@Fe3?/CFS-MC更高的電導(dǎo)率(877.19Sm?1)。在不同頻率下，該復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的表面屏蔽效果和屏蔽效率(99.99%)，EMISE均大于100dB。更重要的是，該材料還表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)儲(chǔ)能性能，在相同電流密度下，PPy@Fe3?/T-CFS-MC的面積比電容達(dá)到了12.44Fcm?2，比PPy@Fe3?/CFS-MC提高了近6倍(1)。北京化工大學(xué)汪曉東教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種具有太陽(yáng)能-熱能、熱電、電熱、磁熱轉(zhuǎn)換和電磁屏蔽功能的"五合一"多功能相變復(fù)合材料(3)。該材料由石蠟(PW)為相變材料和碳化的聚酰亞胺(PI)/凱夫拉纖維/氧化石墨烯@ZIF-67復(fù)合氣凝膠(C/RGO@CoNC)為支撐材料組成。該碳質(zhì)復(fù)合氣凝膠具有獨(dú)特的雙向多層狀結(jié)構(gòu)和高孔隙率，可支撐PW的負(fù)載。PW的引入大大提高了多能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中的熱能儲(chǔ)存/釋放能力。同時(shí)高溫碳化后的還原氧化石墨烯(RGO)和共摻雜的鈷-氮-碳(CoNC)被錨定在氣凝膠骨架上，可產(chǎn)生高的熱傳導(dǎo)和電磁效應(yīng)，增強(qiáng)了氣凝膠的聲子和電子傳輸，提高了其多能量轉(zhuǎn)換能力(3)。這些顯著特征使所開(kāi)發(fā)的碳質(zhì)復(fù)合氣凝膠基相變復(fù)合材料的太陽(yáng)能-熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95.1%，電導(dǎo)率達(dá)到232.8Sm?1，潛熱容量高達(dá)209.2Jg?1，飽和磁化率達(dá)到18.61emug?1。該相變復(fù)合材料不僅具有優(yōu)異的太陽(yáng)能-熱能、熱電、電熱和磁熱能量轉(zhuǎn)換性能，而且在X波段的電磁干擾屏蔽效果高達(dá)66.2dB(3)。2.4低功率適應(yīng)性技術(shù)干擾波段能量收集的另一個(gè)挑戰(zhàn)是其功率密度通常較低，特別是在遠(yuǎn)離發(fā)射源的區(qū)域。為了提高低功率適應(yīng)性，研究人員開(kāi)發(fā)了多種技術(shù)。一種方法是優(yōu)化能量收集電路的設(shè)計(jì)。德克薩斯大學(xué)河谷分校的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型的沖擊驅(qū)動(dòng)頻率上轉(zhuǎn)換能量收集器，通過(guò)引入非線性動(dòng)態(tài)效應(yīng)，顯著提高了低加速度下的能量收集效率(8)。在0.20g的峰值加速度下，該裝置的最大感應(yīng)電壓從無(wú)沖擊時(shí)的32mV增加到有沖擊時(shí)的43mV，增幅達(dá)到34%(8)。另一種方法是利用先進(jìn)的半導(dǎo)體材料。韓國(guó)大邱慶北科學(xué)技術(shù)研究院的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種染料敏化貝塔伏特電池，在陰極和陽(yáng)極上都使用放射性碳，能量轉(zhuǎn)換效率從0.48%提高到2.86%(34)。該研究團(tuán)隊(duì)在2025年美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)春季會(huì)議上展示了其研究成果，這種長(zhǎng)壽命核電池可以實(shí)現(xiàn)許多應(yīng)用，如心臟起搏器可以伴隨人的一生，無(wú)需進(jìn)行手術(shù)更換(34)。此外，北京貝塔伏特新能科技有限公司開(kāi)發(fā)了一種基于鎳-63核同位素衰變技術(shù)和中國(guó)第一個(gè)金剛石半導(dǎo)體模塊的微型核電池BV100，功率為100微瓦，電壓3V，體積是15×15×5立方毫米，比一枚硬幣還小(38)。該公司計(jì)劃2025年推出功率為1瓦的電池，在政策允許的情況下，原子能電池可以讓一部手機(jī)永不充電，現(xiàn)在只能飛行15分鐘的無(wú)人機(jī)可一直飛(38)。2.5動(dòng)態(tài)變化適應(yīng)性技術(shù)干擾波段的能量特性通常隨時(shí)間和空間動(dòng)態(tài)變化，因此能量收集系統(tǒng)需要具備良好的動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力。研究人員開(kāi)發(fā)了多種技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。一種方法是采用自適應(yīng)阻抗匹配技術(shù)。傳統(tǒng)的能量收集系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)為固定阻抗，難以適應(yīng)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化。麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于微機(jī)電系統(tǒng)的超寬帶能量收集器，利用非線性剛度提供被動(dòng)反饋，從而實(shí)現(xiàn)超寬帶共振，在輸入振動(dòng)譜不確定的情況下仍能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的發(fā)電(11)。另一種方法是采用多模態(tài)能量收集技術(shù)。大邱慶北科學(xué)技術(shù)研究院開(kāi)發(fā)的寬帶能量收集器基于非線性剛度效應(yīng)和多模態(tài)能量收集，能夠在寬加速度范圍內(nèi)工作(12)。該裝置通過(guò)引入非線性剛度效應(yīng)和多模態(tài)能量收集，在低加速度下利用聚合物彈簧的鄰近模態(tài)頻率實(shí)現(xiàn)帶寬擴(kuò)展，在高加速度下通過(guò)機(jī)械限位器引入非線性剛度效應(yīng)(12)。此外，北京化工大學(xué)汪曉東教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的多功能相變復(fù)合材料也展示了良好的動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力。該材料具有太陽(yáng)能-熱能、熱電、電熱和磁熱能量轉(zhuǎn)換性能，可以根據(jù)環(huán)境條件的變化自動(dòng)調(diào)整能量轉(zhuǎn)換模式(3)。例如，在白天可以利用太陽(yáng)能進(jìn)行加熱，在夜間可以利用熱電效應(yīng)發(fā)電，同時(shí)還能在需要時(shí)通過(guò)電熱或磁熱效應(yīng)產(chǎn)生熱量(3)。三、干擾波段能量利用的材料創(chuàng)新3.1先進(jìn)半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料是能量收集裝置的核心組成部分，直接影響能量轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)性能。近年來(lái)，多種先進(jìn)半導(dǎo)體材料被應(yīng)用于干擾波段能量利用領(lǐng)域。金剛石半導(dǎo)體是一種極具潛力的材料。北京貝塔伏特新能科技有限公司是全球唯一能摻雜制作大尺寸金剛石半導(dǎo)體的公司(40)。金剛石具有優(yōu)異的物理和化學(xué)特性，如高載流子遷移率、高擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率和強(qiáng)輻射耐受性，使其特別適合于高能粒子和輻射環(huán)境下的能量收集(40)。碳化硅(SiC)是另一種重要的半導(dǎo)體材料。無(wú)錫貝塔醫(yī)藥與西北師范大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的"燭龍一號(hào)"碳-14核電池采用了碳化硅材料，使電池在極端溫度下保持穩(wěn)定(39)。碳化硅具有高導(dǎo)熱性、高電子遷移率和優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，能夠在-100℃至200℃的極端溫度范圍內(nèi)正常工作(39)。金屬鹵化物鈣鈦礦是近年來(lái)引起廣泛關(guān)注的新型半導(dǎo)體材料。2024年1月發(fā)表在《自然通訊》上的研究表明，這種材料能夠從輻射損傷中恢復(fù)和自我修復(fù)。這一特性使其特別適合用于太空環(huán)境中的能量收集，能夠在宇宙射線和高能粒子輻射下保持穩(wěn)定性能。3.2閃爍體材料閃爍體是高能輻射探測(cè)器的重要組成部分，可將高能粒子轉(zhuǎn)換為易于探測(cè)的紫外-可見(jiàn)光子，在高能物理、無(wú)損檢測(cè)、放射化學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。近年來(lái)，閃爍體材料也被應(yīng)用于高能粒子和輻射能量的收集。唐本忠院士團(tuán)隊(duì)在《Chem》雜志上發(fā)表的綜述文章系統(tǒng)闡述了具有聚集誘導(dǎo)發(fā)光特性的閃爍體材料。該研究指出，閃爍體材料的設(shè)計(jì)策略主要包括：(1)開(kāi)發(fā)新型聚集誘導(dǎo)發(fā)光(AIE)分子，通過(guò)AIE效應(yīng)提高發(fā)光效率；(2)利用各種高能射線敏化劑和發(fā)射中心，如熱致延遲熒光(TADF)分子、磷光配合物等來(lái)構(gòu)建具有高效能量轉(zhuǎn)移的閃爍體體系；(3)構(gòu)建AIE金屬團(tuán)簇閃爍體，利用金屬重原子對(duì)高能輻射的強(qiáng)吸收能力；(4)發(fā)展高效低劑量X射線誘導(dǎo)的光動(dòng)力療法。北京高能物理研究所聯(lián)合多家單位成立的高密度閃爍玻璃研制合作組(GS合作組)開(kāi)發(fā)了一種新型閃爍玻璃，通過(guò)釓離子(Gd3?)與鈰離子(Ce3?)的協(xié)同調(diào)控和氟氧置換策略，使閃爍玻璃同時(shí)具備高密度(>6.0g/cm3)與高光產(chǎn)額(>1000ph/MeV)的特性(30)。該研究不僅系統(tǒng)解析了閃爍玻璃的發(fā)光機(jī)理、制備工藝與性能優(yōu)化途徑，還通過(guò)詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)闡明其在發(fā)光效率與時(shí)間特性上的突破(30)。這種閃爍玻璃可將高能射線或粒子轉(zhuǎn)換為光子，在高能物理、宇宙線成像及核醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景(30)。例如，在高能物理實(shí)驗(yàn)中，它可以作為強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的核心探測(cè)材料，幫助人類(lèi)發(fā)現(xiàn)微觀世界中可能存在的新粒子；在宇宙線成像中，可以幫助人類(lèi)開(kāi)展暗物質(zhì)探測(cè)研究；在核醫(yī)療領(lǐng)域，可以用于醫(yī)療成像和輻射劑量標(biāo)定，幫助醫(yī)生更精確且更安全地開(kāi)展癌癥診斷和治療(30)。3.3新型復(fù)合材料復(fù)合材料在干擾波段能量利用中發(fā)揮著重要作用，特別是在同時(shí)需要高電磁屏蔽性能和能量轉(zhuǎn)換能力的應(yīng)用中。北京化工大學(xué)汪曉東教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的碳化聚酰亞胺/凱夫拉纖維/氧化石墨烯@ZIF-67雙向復(fù)合氣凝膠封裝相變材料(C/RGO@CoNC/PW)是一種典型的多功能復(fù)合材料(4)。該材料由石蠟(PW)為相變材料和碳化的聚酰亞胺(PI)/凱夫拉纖維/氧化石墨烯@ZIF-67復(fù)合氣凝膠(C/RGO@CoNC)為支撐材料組成(4)。該碳質(zhì)復(fù)合氣凝膠具有獨(dú)特的雙向多層狀結(jié)構(gòu)和高孔隙率，可支撐PW的負(fù)載。PW的引入大大提高了多能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中的熱能儲(chǔ)存/釋放能力。同時(shí)高溫碳化后的還原氧化石墨烯(RGO)和共摻雜的鈷-氮-碳(CoNC)被錨定在氣凝膠骨架上，可產(chǎn)生高的熱傳導(dǎo)和電磁效應(yīng)，增強(qiáng)了氣凝膠的聲子和電子傳輸，提高了其多能量轉(zhuǎn)換能力(4)。這些顯著特征使所開(kāi)發(fā)的碳質(zhì)復(fù)合氣凝膠基相變復(fù)合材料的太陽(yáng)能-熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95.1%，電導(dǎo)率達(dá)到232.8Sm?1，潛熱容量高達(dá)209.2Jg?1，飽和磁化率達(dá)到18.61emug?1。該相變復(fù)合材料不僅具有優(yōu)異的太陽(yáng)能-熱能、熱電、電熱和磁熱能量轉(zhuǎn)換性能，而且在X波段的電磁干擾屏蔽效果高達(dá)66.2dB(4)。3.4輻射防護(hù)與能量轉(zhuǎn)換一體化材料輻射防護(hù)與能量轉(zhuǎn)換一體化材料是干擾波段能量利用的重要發(fā)展方向。這類(lèi)材料不僅能有效屏蔽輻射，還能將輻射能量轉(zhuǎn)換為電能或其他形式的可用能量。北京化工大學(xué)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室汪曉東教授研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的多功能相變復(fù)合材料就是一個(gè)典型例子(3)。該材料在X波段的電磁干擾屏蔽效果高達(dá)66.2dB，同時(shí)還具有優(yōu)異的太陽(yáng)能-熱能、熱電、電熱和磁熱能量轉(zhuǎn)換性能(3)。美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種利用閃爍晶體將核廢料中的伽馬輻射轉(zhuǎn)化為電能的創(chuàng)新電池(45)。該電池利用閃爍晶體，當(dāng)這些晶體暴露在輻射下時(shí)會(huì)發(fā)出光，然后這些光被太陽(yáng)能電池捕獲并轉(zhuǎn)化為電能，這一過(guò)程類(lèi)似于屋頂太陽(yáng)能電池板的工作原理(45)。研究人員利用廢核燃料中常見(jiàn)的放射性同位素銫-137和鈷-60對(duì)電池進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，使用銫-137可產(chǎn)生288納瓦的電力，使用鈷-60可產(chǎn)生更大的1.5微瓦電力，足以為一個(gè)小型傳感器供電(45)。這種設(shè)計(jì)特別適合已經(jīng)存在高水平輻射的環(huán)境，如核廢料儲(chǔ)存設(shè)施、深海探索甚至太空任務(wù)。盡管電池使用的伽馬射線穿透力比普通X射線或CT掃描強(qiáng)一百倍，但電池本身并不含有放射性物質(zhì)，因此可以安全觸摸(45)。四、宇宙輻射能源化的理論基礎(chǔ)與技術(shù)挑戰(zhàn)4.1宇宙輻射能源化的理論基礎(chǔ)宇宙輻射能源化是干擾波段能量利用的一個(gè)重要拓展方向。從理論上講，宇宙輻射蘊(yùn)含巨大的能量，為人類(lèi)提供了幾乎無(wú)限的能源潛力。熱力學(xué)分析表明，除了太陽(yáng)之外，外層空間(3K)也可以被視為一種熱力學(xué)資源。特別是，近年來(lái)在輻射冷卻方面取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，通過(guò)將地球表面的熱量(約290K)以熱輻射的形式耗散到外層空間，可以建立一個(gè)熱機(jī)來(lái)提取環(huán)境與外層空間之間的溫度梯度中的功(19)。有研究表明，太陽(yáng)(約5800K)、地球表面附近的土壤(約290K)和外層空間(約3K)是三個(gè)具有巨大溫差的獨(dú)立位置。輻射熱傳遞通過(guò)太陽(yáng)能加熱和輻射冷卻為這三個(gè)位置建立了橋梁(14)。在白天，無(wú)處不在且易于獲取的陽(yáng)光作為熱源，寒冷的土壤作為冷源建立溫差；在夜間，可以利用地球溫暖的表土作為熱庫(kù)，通過(guò)大氣窗口(8μm至13μm)將熱量輻射到寒冷的太空，建立一個(gè)可逆的溫差(14)?；谶@一原理，研究人員提出了一種策略，通過(guò)在白天利用太陽(yáng)能加熱，在夜間利用輻射冷卻產(chǎn)生溫差，使用商用熱電模塊發(fā)電，實(shí)現(xiàn)全天候24小時(shí)發(fā)電(14)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)在夜間可實(shí)現(xiàn)37mW/m2的峰值功率密度，在白天可達(dá)到723mW/m2的峰值功率密度(14)。4.2宇宙輻射能源化的技術(shù)挑戰(zhàn)盡管宇宙輻射能源化在理論上具有巨大潛力，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨多項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。首先是能量轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題。目前的宇宙輻射能量收集技術(shù)轉(zhuǎn)換效率普遍較低。例如，傳統(tǒng)的貝塔伏特電池能量轉(zhuǎn)換效率通常不足2%，而最新的"燭龍一號(hào)"碳-14核電池通過(guò)碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)，將效率提高到8%(41)。雖然這一進(jìn)步顯著，但與傳統(tǒng)能源技術(shù)相比仍有較大差距。其次是材料穩(wěn)定性問(wèn)題。太空環(huán)境中的高能粒子和輻射會(huì)對(duì)材料造成損傷，影響系統(tǒng)性能和壽命。2024年1月發(fā)表在《自然通訊》上的研究表明，金屬鹵化物鈣鈦礦等新一代半導(dǎo)體材料能夠從輻射損傷中恢復(fù)和自我修復(fù)，但這類(lèi)材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。第三是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成問(wèn)題。宇宙輻射能源化系統(tǒng)需要在極端環(huán)境下工作，如高溫、低溫、強(qiáng)輻射和微重力等，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成提出了很高要求。例如，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的旅行者1號(hào)探測(cè)器的核電池預(yù)計(jì)將在2025-2030年停止工作，主要原因是核電池輸出功率跌破儀器閾值(48)。第四是安全問(wèn)題。宇宙輻射和高能粒子具有強(qiáng)穿透力和生物危害性，如何在收集能量的同時(shí)確保系統(tǒng)安全是一個(gè)重要挑戰(zhàn)。北京貝塔伏特新能科技有限公司開(kāi)發(fā)的BV100核電池采用多層碳化硅防護(hù)結(jié)構(gòu)和陶瓷石墨烯復(fù)合外殼等技術(shù)，將輻射劑量控制在安全水平(40)，但這類(lèi)技術(shù)的可靠性和長(zhǎng)期安全性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。4.3宇宙輻射能源化的技術(shù)探索盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，研究人員仍在積極探索宇宙輻射能源化的各種可能途徑。一種方法是利用電磁輻射收集技術(shù)。拉希克哈?D?S等人的研究探討了使用銅線圈收集電磁輻射用于深空推進(jìn)的可能性。該研究首先在海平面進(jìn)行了經(jīng)典實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，證明了從大氣中收集電磁輻射產(chǎn)生電壓的概念可行性，隨后進(jìn)行了理論研究。測(cè)試裝置包括一個(gè)簡(jiǎn)單的螺旋天線作為接收器，用于收集宇宙無(wú)線電波并產(chǎn)生電能。研究探討了銅線圈的設(shè)計(jì)優(yōu)化，包括直徑、螺距和匝數(shù)等參數(shù)。結(jié)果基于頻率、電磁場(chǎng)強(qiáng)度和功率進(jìn)行了優(yōu)化。研究詳細(xì)分析了幾何參數(shù)對(duì)功率產(chǎn)生的主導(dǎo)貢獻(xiàn)，并建立了預(yù)測(cè)理想/半理想能量收集的解析方程組模型。研究表明，從外部環(huán)境收集電磁波是一種可行的能量收集技術(shù)，可用于各種電力系統(tǒng)，包括深空推進(jìn)應(yīng)用。另一種方法是利用宇宙射線中的高能粒子。烏瑪?馬赫什瓦爾?瓦納馬拉等人的研究探討了銀河系宇宙能量作為一種新型能源的可能性。宇宙射線主要由高能質(zhì)子組成，這些高能質(zhì)子可以通過(guò)電場(chǎng)在入口處偏轉(zhuǎn)，然后通過(guò)窄孔產(chǎn)生高強(qiáng)度束流。由于質(zhì)子質(zhì)量比電子大，散射較少，有助于更好地穿透。聚焦的電離質(zhì)子束可以入射到光電晶體上，通過(guò)逆康普頓散射效應(yīng)產(chǎn)生相對(duì)較低能量的輻射。然而，這一方法面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。太陽(yáng)帆技術(shù)仍在實(shí)驗(yàn)中，尚未實(shí)際應(yīng)用。盡管可以通過(guò)火箭發(fā)射太陽(yáng)帆，但其能量產(chǎn)生的有效性每11年才達(dá)到一次峰值。在閑置期或低強(qiáng)度階段，能量產(chǎn)生率較低，相對(duì)于設(shè)置成本而言效益不佳。此外，還有研究探索了利用宇宙微波背景輻射(CMB)的可能性。CMB的環(huán)境頻率約為160GHz，理論研究表明，通過(guò)仔細(xì)的幾何參數(shù)化，可以在軸向模式螺旋天線上實(shí)現(xiàn)CMB輻射的高效收集。五、干擾波段能量利用的應(yīng)用前景5.1醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用干擾波段能量利用在醫(yī)療領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是在植入式醫(yī)療設(shè)備方面。核電池是最具潛力的應(yīng)用方向之一。傳統(tǒng)心臟起搏器每5-10年就要開(kāi)胸更換電池，而"燭龍一號(hào)"碳-14核電池的植入意味著90歲老人可以和孫輩共享同一枚"能源心臟"(41)。更激動(dòng)人心的是，它為腦機(jī)接口提供了永久供能方案——癱瘓患者通過(guò)意念操控機(jī)械臂的時(shí)代正在加速到來(lái)(41)。據(jù)估算，全球每年120萬(wàn)臺(tái)植入式醫(yī)療設(shè)備將因此告別續(xù)航焦慮(41)。"燭龍一號(hào)"的核心優(yōu)勢(shì)在于其超長(zhǎng)壽命和超高能量密度。實(shí)際設(shè)計(jì)壽命50年，性能衰減不到5%；能量密度2200毫瓦時(shí)每克，轉(zhuǎn)換效率8%，遠(yuǎn)超鋰電池的1%到2%(39)。北京貝塔伏特新能科技有限公司計(jì)劃在2025年推出功率為1瓦的電池，在政策允許的情況下，原子能電池可以讓一部手機(jī)永不充電，現(xiàn)在只能飛行15分鐘的無(wú)人機(jī)可一直飛(38)。該公司推出的第一款產(chǎn)品BV100是世界上首塊即將量產(chǎn)的核電池，功率是100微瓦，電壓3V，體積是15×15×5立方毫米，比一枚硬幣還小(38)。此外，閃爍體材料在核醫(yī)療領(lǐng)域也有重要應(yīng)用，包括醫(yī)療成像和輻射劑量標(biāo)定，幫助醫(yī)生更精確且更安全地開(kāi)展癌癥診斷和治療(30)。5.2物聯(lián)網(wǎng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)是干擾波段能量利用的另一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。這些設(shè)備通常需要長(zhǎng)期穩(wěn)定的電力供應(yīng)，而傳統(tǒng)電池難以滿足這一需求。北京貝塔伏特新能科技有限公司計(jì)劃推出的1瓦級(jí)核電池，將使無(wú)人機(jī)續(xù)航從15分鐘延長(zhǎng)至永久(40)。若技術(shù)突破，手機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)將徹底擺脫充電依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)"終身能源"(40)。核電池特別適合于那些難以更換電池的應(yīng)用場(chǎng)景。例如，在北極科考站、深海油氣管道、南極無(wú)人監(jiān)測(cè)站等場(chǎng)景，核電池可提供數(shù)十年免維護(hù)電力(40)。中國(guó)計(jì)劃用"燭龍一號(hào)"支撐萬(wàn)億級(jí)傳感器網(wǎng)絡(luò)，為智慧城市和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供底層能源保障(40)。干擾波段能量收集技術(shù)也被應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)傳感器的供電。MDPI的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的集成電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)的緊湊型高效微帶天線，專(zhuān)門(mén)為無(wú)電池物聯(lián)網(wǎng)傳感器和醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)，工作在5.8GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段(9)。該天線采用緊湊型設(shè)計(jì)，物理尺寸減小到36×40mm2，同時(shí)提供高性能參數(shù)，如-27.9dB的反射系數(shù)、1.08的電壓駐波比、7.91dBi的增益、8.1dBi的方向性、188MHz的帶寬和95.5%的輻射效率(9)。5.3深空探測(cè)與航天應(yīng)用深空探測(cè)和航天是干擾波段能量利用，特別是宇宙輻射能源化的重要應(yīng)用領(lǐng)域。傳統(tǒng)的航天器通常依賴(lài)太陽(yáng)能電池，但在遠(yuǎn)離太陽(yáng)的深空環(huán)境中，太陽(yáng)能強(qiáng)度大幅減弱，無(wú)法滿足探測(cè)器的能源需求。核電池因此成為深空探測(cè)的首選能源。美國(guó)"旅行者1號(hào)"探測(cè)器于1977年發(fā)射，攜帶钚-238核電池，迄今已在太空航行46年，創(chuàng)造了世界衛(wèi)星遠(yuǎn)航史上的輝煌紀(jì)錄，核電池將保證其搭載的科學(xué)儀器持續(xù)工作到2025年(38)?；鹦翘綔y(cè)器"好奇號(hào)"上搭載的核動(dòng)力裝置，是一塊重約45公斤、發(fā)電功率140瓦的核電池，含約5公斤重的钚-238(38)。然而，傳統(tǒng)的放射性同位素溫差發(fā)電器核電池技術(shù)造價(jià)極其昂貴。以"毅力號(hào)"火星車(chē)核電池系統(tǒng)為例，價(jià)格高達(dá)7500萬(wàn)美元(38)。這促使研究人員探索更經(jīng)濟(jì)、更高效的替代方案。中國(guó)在這一領(lǐng)域取得了重要突破。無(wú)錫貝塔醫(yī)藥與西北師范大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的"燭龍一號(hào)"碳-14核電池采用了碳化硅材料，使電池在極端溫度下保持穩(wěn)定(39)。碳化硅具有高導(dǎo)熱性、高電子遷移率和優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，能夠在-100℃至200℃的極端溫度范圍內(nèi)正常工作(39)。更重要的是，碳-14原料比美國(guó)用的钚-238便宜95%(39)。钚-238價(jià)格高且危險(xiǎn)，而碳-14輻射量極低，接近X光檢查的劑量(39)。這使得碳-14核電池成為深空探測(cè)和航天應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)、安全選擇。5.4極端環(huán)境應(yīng)用干擾波段能量利用在極端環(huán)境中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠在傳統(tǒng)能源系統(tǒng)無(wú)法工作的條件下提供穩(wěn)定電力。低溫環(huán)境是一個(gè)典型挑戰(zhàn)。月球表面的溫度在月夜可低至-150℃至-180℃，傳統(tǒng)電池難以在此條件下工作。2013年，中國(guó)"嫦娥三號(hào)"攜帶同位素?zé)嵩达w天，核電池中的钚金屬塊238相當(dāng)于一個(gè)"暖寶寶"，確保儀器設(shè)備在極端低溫下正常工作(38)。高溫環(huán)境同樣具有挑戰(zhàn)性。在沙漠或工業(yè)高溫環(huán)境中，傳統(tǒng)電池性能會(huì)顯著下降甚至失效。而北京貝塔伏特新能科技有限公司開(kāi)發(fā)的核電池采用多層碳化硅防護(hù)結(jié)構(gòu)和陶瓷石墨烯復(fù)合外殼等技術(shù)，能夠在高溫環(huán)境中保持穩(wěn)定性能(40)。深海環(huán)境是另一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)景。深海探測(cè)器或水下傳感器通常需要長(zhǎng)期、穩(wěn)定的電力供應(yīng)，而傳統(tǒng)電池更換困難且成本高昂。無(wú)錫貝塔醫(yī)藥與西北師范大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的"燭龍一號(hào)"碳-14核電池能夠在深海高壓環(huán)境中正常工作，為深海探測(cè)提供持久能源(39)。太空環(huán)境是最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用場(chǎng)景之一。太空中的高能粒子輻射、極端溫度變化和微重力環(huán)境對(duì)設(shè)備性能提出了極高要求。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的旅行者1號(hào)探測(cè)器的核電池預(yù)計(jì)將在2025-2030年停止工作，主要原因是核電池輸出功率跌破儀器閾值(48)。為了解決這一問(wèn)題，研究人員正在開(kāi)發(fā)更耐用、更高效的輻射耐受材料和能量收集技術(shù)。六、干擾波段能量利用的未來(lái)發(fā)展方向6.1材料創(chuàng)新與性能提升材料創(chuàng)新將繼續(xù)是干擾波段能量利用領(lǐng)域的核心發(fā)展方向。未來(lái)研究將聚焦于開(kāi)發(fā)更高效率、更穩(wěn)定、更耐用的新型材料。金剛石半導(dǎo)體材料具有巨大潛力。北京貝塔伏特新能科技有限公司是全球唯一能摻雜制作大尺寸金剛石半導(dǎo)體的公司(40)。未來(lái)研究將進(jìn)一步優(yōu)化金剛石半導(dǎo)體的制備工藝和性能，提高其能量轉(zhuǎn)換效率和輻射耐受性。閃爍體材料也將得到進(jìn)一步發(fā)展。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所聯(lián)合井岡山大學(xué)、中國(guó)計(jì)量大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、北京玻璃研究院和中國(guó)建材總院等單位成立的高密度閃爍玻璃研制合作組(GS合作組)，致力于設(shè)計(jì)和制造高質(zhì)量、高性能的閃爍玻璃(30)。未來(lái)研究將聚焦于提高閃爍玻璃的光產(chǎn)額和能量分辨率，目標(biāo)是獲得兼具高密度(>6.0g/cm3)和高光產(chǎn)額(>2000ph/MeV)的閃爍玻璃(30)。此外，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)也將被應(yīng)用于材料設(shè)計(jì)和優(yōu)化。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)與分子動(dòng)力學(xué)模擬等方法，研究人員可以加速閃爍玻璃組分優(yōu)化進(jìn)程，獲得性能更優(yōu)的材料(30)。6.2系統(tǒng)集成與優(yōu)化系統(tǒng)集成與優(yōu)化是干擾波段能量利用從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。未來(lái)研究將關(guān)注以下幾個(gè)方面：首先是多能量收集技術(shù)的協(xié)同集成。北京化工大學(xué)汪曉東教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的多功能相變復(fù)合材料展示了將太陽(yáng)能-熱能、熱電、電熱、磁熱轉(zhuǎn)換和電磁屏蔽功能集成于一體的可能性(3)。未來(lái)研究將進(jìn)一步探索多能量收集技術(shù)的協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)能量的高效捕獲、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。其次是自適應(yīng)控制策略的開(kāi)發(fā)。干擾波段能量的特性隨時(shí)間和空間變化，系統(tǒng)需要具備自適應(yīng)能力。未來(lái)研究將開(kāi)發(fā)基于先進(jìn)控制理論和人工智能的自適應(yīng)控制策略，實(shí)現(xiàn)能量收集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)優(yōu)化和動(dòng)態(tài)調(diào)整。第三是模塊化設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化。為了促進(jìn)干擾波段能量利用技術(shù)的廣泛應(yīng)用，需要建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和模塊化設(shè)計(jì)方法。北京高能物理研究所聯(lián)合多家單位成立的高密度閃爍玻璃研制合作組，已經(jīng)開(kāi)始探索閃爍玻璃的標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè)體系，包括光產(chǎn)額、衰減時(shí)間及耐輻照特性等指標(biāo)(30)。6.3跨學(xué)科融合與創(chuàng)新干擾波段能量利用是一個(gè)高度跨學(xué)科的領(lǐng)域，未來(lái)發(fā)展將依賴(lài)于物理學(xué)、材料科學(xué)、電子工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的深度融合與創(chuàng)新。物理學(xué)基礎(chǔ)研究將為干擾波段能量利用提供理論支持。例如，宇宙輻射能源化的理論基礎(chǔ)涉及熱力學(xué)、量子物理和天體物理等多個(gè)領(lǐng)域。未來(lái)研究將進(jìn)一步深化對(duì)宇宙輻射特性和能量轉(zhuǎn)換機(jī)制的理解，為技術(shù)開(kāi)發(fā)提供理論指導(dǎo)。材料科學(xué)與工程將繼續(xù)推動(dòng)新型材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。金剛石、碳化硅、鈣鈦礦等先進(jìn)半導(dǎo)體材料，以及閃爍體、相變材料等功能材料的研究進(jìn)展，將直接影響干擾波段能量利用的效率和應(yīng)用范圍。電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)將為能量收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和控制提供技術(shù)支持。例如，先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)可以提高微弱信號(hào)的檢測(cè)和提取效率；人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制和優(yōu)化。6.4商業(yè)化與產(chǎn)業(yè)發(fā)展干擾波段能量利用的商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)發(fā)展是未來(lái)的重要方向。目前，多家企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始布局這一領(lǐng)域，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年將迎來(lái)快速發(fā)展。核