变形金属可以利用废热发电
类似德国勃兰登堡的沼气厂利用分解有机物产生的热量来发电。一种使用记忆合金的新型热机可以帮助沼气厂和许多其他工业过程更有效地将热量转化为电能。
五年前，一位科学家、一位工程师和一位商人在都柏林的一个后院里做了一个实验。他们用电水壶烧水，将热水倒入一根分体式管道。他们在管道底部放了一段电线，并在电线旁边用尺子测量。当倒入热水时，电线缩短了几厘米；当倒入冷水时，电线又恢复了原来的长度。这三个人认为他们可以用这个做一件大事。
他们测试的这种奇怪的变形金属线是由一种叫做形状记忆合金的物质制成的。类似的金属（或非金属）在暴露于特定温度、压力或电刺激时会改变形状。形状记忆合金发明于 60 年前，已应用于从生物医学到航空航天工程等各个领域。但它最难以捉摸的应用之一是从热水中获取能量。现在，进行这项后院实验的同一群人成立了一家名为 Shape 的公司——他们声称已经发明了一种发动机，它使用变形金属线和工业生产过程中剩余的热水来发电。
据估计，美国工业约三分之一的能源以热量的形式流失。“工业过程或热传递过程中浪费了大量能源，比如用水冷却机器或发电厂，”凯斯西储大学聚合物科学教授、废热专家（与该公司无关联）表示。工业应用（包括发电）产生的副产品热水没有足够的热能来产生蒸汽来驱动发电机。
一些发电厂和工业用户将废热水送至二次热机，其中一小部分水能通过有机朗肯循环转化为电能。但该技术需要化学物质从热水中发电。一些最适合的化学物质对环境有害，因此它们的使用通常被禁止或限制，而更清洁的化学物质在从废水中回收能源方面并不那么有效。斯坦福大学地球、能源与环境科学学院地球系统讲师卡罗琳·米勒表示，这增加了运营成本，这意味着它并不总是具有成本效益。他也没有参与该项目。
变形金属丝就是为此而生的。形状记忆合金具有独特的分子特性，可以根据温度在预设形状之间变形。因此，这种材料是该公司新型热机的核心，该热机使用原始形状记忆合金的一种变体，称为镍钛诺。“这个名字指的是它是一种镍 (Ni) 钛 (Ti) 合金，NOL 指的是前海军军械实验室 (Naval)，镍钛诺就是在那里发明的，”中田纳西州立大学 (State) 化学教授说道，他与该公司没有任何关系。
镍钛合金在分子水平上极其有序。“大多数合金在分子水平上实际上没有结构。它们就像金属溶液，而不是盐晶体或钻石的内部，”他说。但镍钛合金的分子形成具有 90 度角的规则立方体。他说，在显微镜下，镍钛合金看起来像一堆鞋盒。加热时，分子会稍微重新排列 - 直角变成锐角或钝角 - 因此材料会收缩。冷却材料，分子会恢复到直角，因此形状记忆合金会恢复其原始大小和形状。
该公司的热机利用这种变形行为将废水转化为电能。其开发人员表示，该发动机将安装在废水泵系统中，将热水循环到其圆柱形活塞室中。每个活塞都连接到一根镍钛合金丝。“当热水注入（丝）中时，它会收缩相对较少的量，但非常有力，”该公司首席执行官艾伦·希利说。然后，发动机将冷水循环到活塞室中，镍钛合金膨胀，导致活塞再次弹出。活塞的另一侧是粘性流体，移动的活塞推动流体通过液压传动装置驱动发电机，从而产生电能。“利用这些材料的特性来发电听起来违反直觉，但这并非史无前例，”希利说。毕竟，科学家在半个多世纪前就发明了形状记忆合金，工程师们早就认识到这种材料在收集能量方面的巨大潜力。
1970 年，在劳伦斯伯克利国家实验室工作的机械工程师班克斯发明了一种形状记忆合金热机，他认为这种热机可以为公用事业和其他行业节省数十亿美元的能源成本。班克斯为这种热机申请了专利，但它并没有像他希望的那样彻底改变能源行业。这项技术非常复杂，需要太多化学品，而且变形线磨损得太快，无法在实际应用中使用。
但世界各地的学术界和工程师仍在期刊和实验室中研究这一想法。2010 年，通用汽车 (GM) 和美国能源部高级研究计划署能源部联手发明了一系列废热回收技术，其中包括一些基于形状记忆合金的技术。但到目前为止，通用汽车仅使用形状记忆合金来替换其车辆上更复杂的机械装置，例如使 (雪佛兰) 科尔维特的后备箱更容易关闭的装置。
该公司并未宣称取得了重大技术突破。希利表示，他们花了几十年时间才发明出更耐用的镍钛合金丝，但他们对配方的具体调整方式却秘而不宣。希利表示，这项研发是必要的，因为可变形合金在变形一定程度后就会磨损。大规模更换丝既麻烦又昂贵，这是热机进入市场的一大障碍。“几年前最好的丝只能运行一百万次，而我们的丝可以运行一千万次，”他说。希利表示，他正在瞄准沼气行业，将其作为首批用户之一。“但我们不乏潜在用户，”他补充道。“一些食品公司会在清洗机器时产生热水，或者一些数据中心会用水来冷却服务器。”
不过，这还没有得到证实。购买热机的公司希望确保该技术在一定时期内通过节省公司的电费来收回成本。“一个参考点是查看工业用户的平均电力成本，”他说。它还将与公司已经用于从废热中回收能源的有机朗肯循环热机竞争——据他说，后者可能具有自己的优势。“一些具有大量运动部件和复杂流体的机器（如有机朗肯循环热机）可能比仅由金属在水中来回移动的热机更昂贵，”他指出，“但设备才是证据。”
实践才是检验的依据，该公司都柏林办公室里有一台原型机。它可以产生 5kW 的电力，如果全天 24 小时工作，足够为四个美国家庭提供一天的电力。第一次真正的现场测试将于明年进行，届时该公司将投入投资者投资的 900 万美元中的大部分，在都柏林的几家沼气厂安装 10kW 测试热机。希利相信，这些试验最终将展示一种节省成本和提高能源效率的方法。“除非你给公司一种省钱的方法，否则他们不会做这些事情，”他说。（公司是营利性的。）
翻译：刘一明
审稿人：柯奎宇