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顛覆運動場館照明 藍光LED妙用無窮

多色LED燈陣列。圖/法新社

LED燈在日常生活中用途廣泛。圖/美聯社

西班牙的氫能廠。圖/美聯社

美國俄亥俄州一處氫能充電站。圖/美聯社

美國拉斯維加斯巨型球體「Sphere」。圖/美聯社

編譯/潘楠慕

點亮藍色LED燈,美國最大體育場「密西根體育場」沈浸在一片宛如繁星點點的藍色燈海中,這樣的絢麗場景都是拜「發光二極體」(LED)技術進步之賜,LED燈為現代社會帶來從照明到顯示器、虛擬實境(VR)耳機的科技革命,未來潛力還大有可為。

密西根體育場的新視覺娛樂系統9月16日啟用,使用密西根大學代表色黃色、藍色燈光,適時帶動現場氣氛。這座球場是全美最大、全世界第3大,藍光LED要足夠照亮如此龐大的球場,只不過是最近幾十年的進展:能發出藍光的LED,直到1990年代才被開發出來,而研發這項技術的科學家,後來也因此獲得諾貝爾獎。

提供密西根體育場燈光技術的「瑪斯柯照明」(Musco Lighting)公司高級研發工程師施萊瑟曼(Brad Schlesselman)指出,紅綠藍三原色光系統(RGB),透過混合不同強度的紅、綠、藍光LED燈珠,可以發出多種不同顏色。

從學校到球場、各地地標、節慶裝飾,以及建築物為了特定活動亮出特定顏色燈光等,LED燈的應用廣泛,不過,最壯觀的或許是9月才開幕的美國拉斯維加斯新地標「球體」(Sphere),球體狀外牆裝上數以百萬計的LED燈,變化出各種圖樣或影像。

1970年代到80年代時期,發光二極體還時常被認為是沒效率的東西,LED燈製造商Cree LED高級產品行銷經理沙伊特(Paul Scheidt)說,「當時人們的態度是,這種小小的玩具燈,是不可能做任何有用的事」,這種昂貴又亮度微弱的光源,用於小小的紅色指示燈,或者電視機遙控器或許還可以,在其他方面少有用途。

不過,能發出更大量光子或者更亮的LED問世後,改變了這一切。LED發光是當設備內的電子(帶負電粒子)從較高能態降至較低能態的過程,以光的形式釋放能量,使用不同材料可以調整高、低能態差距、即「能隙」,和所發出光的波長、即顏色。

藍色特別棘手,因為LED要發出藍光所需材料氮化鎵很難無損製造出來。然而,藍色是一種強大、非常高能量的顏色(能隙較大),因此藍光LED可用於一些電視顯示器所有其他顏色的基礎,通常也是白光的來源,用稱為「磷光體」的材料調節。

LED的應用不僅如此。史丹福大學電子工程助理教授康葛雷夫(Dan Congreve)和同事,正在研究鈣鈦礦晶體用於LED,這是一種通常用於太陽能電池的材料,成本低又容易製造,康葛雷夫說,鈣鈦礦LED甚至可以混合成溶液,噴塗在物體表面,成為發光層,不過,穩定度仍有待突破。日本研究人員則是將藍光LED發光所需電力門檻,從通常的最低4伏特,降低到僅需單個AA電池的1.47伏特。科學家指出,LED技術還能夠更節能又更便宜,未來潛力大有可為。

太陽能飛船  挑戰環球連飛20天

科技發展已經使零碳排的長程航空飛行不是不可能,只要你不趕時間!採用太陽能與氫能的「太陽能飛船一號」(Solar Airship One),將環地球赤道連續飛行20天,中途不停,挑戰不排放二氧化碳、無噪音的太陽能動力飛行。

由「歐洲飛船」(Euro Airship)公司開發的「太陽能飛船一號」長151公尺,上半部外層完全覆蓋太陽能薄膜,總共鋪設面積4800平方公尺。白天航行時,將由太陽能板提供飛船的電動推進系統電力,同時還能將多餘的電力儲存起來,透過水電解系統轉換成氫能,供應夜間無陽光時飛行所需電力。

這艘飛船預定2026年展開沿赤道、在約6000公尺高處,連續20天的旅程,挑戰零碳排、無噪音的太陽能載具長程飛行。屆時,將由3人駕駛:前法國太空人、空軍飛官托尼尼(Michel Tognini),經歷墜機逃過一劫的特技飛行員布爾內頓(Dorine Bourneton),以及曾於1999年率先創下駕駛熱氣球,不落地環球一周紀錄的皮卡爾(Bertrand Piccard);皮卡爾也是2015年到2016年間以16個半月時間,完成第一架太陽能飛機「太陽動力二號」(Solar Impulse 2)環球的飛行員。歐洲飛船團隊計算後預估,屆時飛行速度平均略高於時速83公里,雖僅是使用化石燃料的飛機平均飛行速度10分之1,但是,具備一些關鍵優勢,例如可以在任何地方停下、再啟動,而不需要跑道。

儘管有其他旨在重拾飛船用於奢華載客航空的計畫,但是一些看法認為,氫動力飛船能攜帶一架貨運飛機8到10倍的負載物,成本卻只有1/4,這種飛行器才是零碳排空中貨運的未來。

環保有但書  氫能乾淨層級有3種

美國總統拜登10月中宣布,斥資70億美元(約合新台幣2261兆元)在全美設立7座氫能源樞紐,並稱這將是「美國史上最大先進製造業投資案的其中一項」。不過,氫能不一定代表「乾淨」能源,關鍵在於生產方式。

這是拜登政府在消減造成氣候變遷的汙染,兼顧增加就業機會的計畫一環,拜登表示,這些氫能樞紐將啟動美國的氫能源經濟,期望建立產值400億美元(約新台幣1兆2900億元)的乾淨能源產業鏈,同時減少如運輸、重工業等高汙染產業的碳排量。

美國能源部預期,7座氫能樞紐每年可望生產約300萬立方公噸的乾淨氫能。目前美國氫能產量約1000萬立方公噸,但是當中符合「乾淨」能源者少之又少。

氫能是不是「乾淨」能源,得視生產方式而定。目前普遍用一套「顏色」系統分類不同氫能生產法:「綠氫」是使用可再生能源;「灰氫」是採用化石燃料,為目前主流,因生產過程會產生顯著碳排放量,是最「髒」的氫能生產法。介於綠氫、灰氫之間的是「藍氫」,利用碳捕捉技術,回收封存以化石燃料製氫過程產生的二氧化碳。

拜登的氫能樞紐計畫產生的氫能,相當大程度為「藍氫」,引起一些科學家憂心,質疑這樣的能源能多「乾淨」。

康乃爾大學生態學教授霍華斯(Robert Howarth)與史丹福大學土木與環境工程教授雅各布森(Mark Jacobson)2021年發表研究報告,分析藍氫生命周期碳排放,發現生產需要高量天然氣、生產過程甲烷高度可能外洩,意味著藍氫實際上只有小幅的減碳量。他說,「只有綠氫在未來去碳化能源有前景」。

不過,專注能源與氣候的研究集團「榮鼎集團」助理總監金恩(Ben King)表示,較乾淨氫能有賴於大規模投資,需要政府出力,設立這些氫能樞紐,是這個過程中重要的一步。

30 10 2023

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