每日简讯：闪电中有多少能量？我们能“驾驭”这些能量吗？

闪电是由雷暴云中形成正、负电荷区而引起的放电现象雷雨云中积聚的正电荷和负电荷之间的不平衡引起的放电现象，大多数闪电发生在云层之间或云层内，少量闪电延伸到地面。我国陆地区年均日发生总闪电数约54600次，如此多的闪电，能否利用“闪电能”为我们生活提供动力呢？我们先来了解闪电中到底蕴含多少能量。

夜晚的闪电（来源：作者拍摄）

【资料图】

闪电的能量

闪电产生的电流可达上万安培，是高压电线的10倍，同时还会释放大量的热量，闪电的温度比太阳表面还要高5倍，以及可以传播40千米远的声能——雷声。虽然闪电放电只在一瞬间，只有约0.001秒，但这一瞬间会产生高达100亿瓦的电。仅一次闪电的电能就可以为340万户家庭供电一年会产生巨大的能量。

闪电中携带或产生大量的电能、热能和声能三种形式的能量。然而，捕捉这种能量并非易事。近年来，科学家们一直在探索如何储存利用这些能量

捕获电力

闪电的瞬间电压可达到数百万伏至十亿伏特，一般的设备无法承受，更无法将其电力存储起来被社会和人类所利用。早在1752年本杰明·富兰克林发明的避雷针，可以成功地捕获闪电并将其引导到地下，由于地球表面足够大，可以吸收无限量的电流，闪电对大地并几乎没有影响。而现在我们面临的挑战则是如何“驾驭”它。

如何将闪电中携带的能量降低到安全水平是最大的难题，目前电网的工作方式为：发电厂输送的电力均以几千伏高压电在高压输电线路中传输，再通过多个变电站逐级降压，最终以220伏的电压输送到千家万户。然而，将闪电的电压从数百万伏至十亿伏特降到更安全的水平是一项更艰巨的任务，目前还尚不存在能把闪电直接并入电网的技术。

科学家们已经进行了各种尝试，使用高压开关电路和磁性电容器来捕获和存储闪电中的电力。目前研究者们已经开发可以将闪电转化为电能的系统，采用安全电压接入与控制技术，自动充放电进行能量转换，可以将全部或部分闪电的能量转换到蓄电池中。但这些系统还都处于研究测试阶段，没有被广泛使用。

收集热量

闪电的能量可以将空气短暂加热到27000摄氏度，这比太阳表面温度还要高出5倍。怎样才能将如此多的热量转化为电能利用呢？

一提到把热能转化为电能，首先想到的就应该是用发电机了，但是大多数发电的核心——磁铁，在加热时会失去磁性，因此不能利用带有磁铁的发电机将热能转化为电能。中科院物理所赵怀周研究员的研究团队近期有一项研究，他们在收集热量并将其转化为电能方面取得重要进展，他们研究发现称为paramagnons的微小颗粒充当半导体，能够将热量转化为电能。[1] 中科院大连化物所的姜鹏研究员团队发现Bi0.5Sb1.5Te3/SrTiO3的协同效应，可以显著提升热量转化为电能的效率。[2]这些热电材料能实现电能与热能交互转变，为收集闪电的热量提供了一种可能的方法。当然，从基础研究到发展出可行性的产品还有很长的距离！

转换声音

我们日常给手机充电后，手机可以发出声音的过程就是将电转化为声波，那么反之亦然，声波也可以转换成电能，世界各地正在进行声音发电的研究。[3]闪电产生的极端热量会导致它周围的空气爆炸，产生雷声的声波。在距离其源头百米的范围内，雷声可以产生大约120分贝。但是相比之下，现有的交通和城市噪音作为声能来源更加可靠，更值得进行行收集声音发电的实验。

对于电力，供应必须满足稳定性的要求。收集闪电能量的挑战之一是它的间歇性和不可预测性。闪电在时间和地点上的可预测性都远不如与其他可再生能源，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、风能和太阳能。而存储闪电的电力最困难的部分在于需要存储设备本身需要承受极高的瞬间电压而不被损坏。

毫无疑问，闪电中蕴含大量的能量，但如何“驾驭”闪电仍将是众多科学家有待解决的科研问题。

参考文献

[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.

文章由科普中国-星空计划（创作培育）出品，转载请注明来源。

作者：Denovo 科普作者

审核：中国科学院大气物理所 研究员 蒋如斌

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