源自CERN的专利如何华丽转身

作者: 小溪

来源: 中科院高能所

发布日期: 2017-12-17 11:16:49

本文介绍了欧洲核子研究中心(CERN)的专利技术如何应用于新型太阳能热板,详细阐述了该技术的起源、发展及其在实际应用中的效果。通过这一技术,CERN不仅在基础物理研究上取得了成就,还成功地将研究成果转化为实际应用,推动了可再生能源的发展。

欧洲核子研究中心(CERN)跨越瑞士和法国边境。目前世界上最大的粒子加速器——大型强子对撞机(LHC)建在地下100米、总长约27公里环形隧道内。日内瓦国际机场(GVA)位于瑞士与法国边境,是瑞士的重要空中枢纽。这两个机构的地理位置虽然相近但性质完全不同,原本应该没有什么技术方面的交集。可是,覆盖在日内瓦国际机场主航站楼上的数百个太阳能热板却将它们联系在了一起。

太阳能板挺多见,这些太阳能热板有何不同么?的确不一样,即使是在阳光被云彩遮挡的天气和冰雪覆盖的冬季环境下,这些太阳能热板内部的温度仍可达80摄氏度,热能被高效转为电能后用于保持日内瓦国际机场主航站楼的温度。究竟用了什么技术能获得如此神奇的效果呢?令人惊喜的是:相关技术竟然源自CERN研制粒子加速器开发真空技术所衍生的专利。

2012年3月10日,CERN发布了一则题为“用CERN技术制造太阳能热板”的新闻:大约300个新型的太阳能热板将在日内瓦国际机场主航站楼的屋顶上覆盖1200平方米的表面。这是瑞士最大的太阳能应用系统之一,用于在冬季保持建筑物的温暖和夏天的凉爽。

这些太阳能热板是由CERN研制粒子加速器时所开发的真空技术衍生出来的,CERN为此申请了专利,专利发明人为本韦努蒂(CristoforoBenvenuti)。本韦努蒂几乎在CERN工作了一辈子,他是真空及材料技术方面的专家,工作中取得了多项重要成果。

1998年,他获得粒子加速器领域的“年度成就和创新奖”,表彰他在LEP的真空技术及研发超导加速腔方面的贡献;2002年获得美国真空学会颁发的盖德朗格缪尔奖(该奖项每两年颁发一次,是真空领域的主要奖项之一)。从技术层面上说,超高真空对于粒子加速器至关重要。被加速的粒子只有在真空环境中运行,才能保持足够的寿命,并且不断地被积累和加速,达到设计的能量和流强。

而粒子对撞机因所加速的粒子要发生对撞,粒子束在一段时间内需在真空管道内连续运行数个小时,这就需要更完美的真空。1971年,世界上第一个质子-质子对撞机的交叉存储环(ISR)开始在CERN运行,一般认为这标志着超高真空研究的开始。20世纪80年代末,CERN建造大型电子正电子对撞机(LEP)时创造了新的真空度记录。

LEP储存环的周长27公里,能达到设计所要求的极高真空度,本韦努蒂发明的非蒸发型吸气剂(NEG)技术功不可没。得益于CERN对技术专利的大力宣传,本韦努蒂有机会与投资者一起创建了“SRB”能源公司。SRB能源公司于2005年获得了超高真空技术的专利授权,生产设备建在西班牙的巴伦西亚,相关的技术研发仍在CERN进行。本韦努蒂从CERN退休后致力于这些专利技术的转化、生产和商业化。

CERN超高真空的专利技术为新型太阳能热板提供了具有特殊隔热功能的热室,大大减少了热量损失提高了效率,还能更有效地利用漫射光产生的能量,并能延长太阳能板的使用寿命。这种太阳能热板特别适合用于气候较冷、日照较少的环境。源自CERN的专利就这样华丽转身了。在欧洲,取暖和制冷约占总能源消耗的一半,80%的工业加热过程所需的操作温度用传统的太阳能板无法达到。

CERN的新型太阳能热板技术为减少化石燃料在加热和冷却装置中的使用,以及工业加热过程中的石油消耗提供了一个理想的替代方案。太阳能的利用已成为瑞士从核能转向可再生能源的重要组成部分。日内瓦国际机场至今拥有覆盖10000平方米的太阳能热板,每年约产生10亿瓦特小时的能源。

2017年10月13日,日内瓦国际机场主任对媒体宣布:在一个新的项目中,机场建筑的屋顶将再安装50000平方米的太阳能热板,所产生的能源相当于2500户家庭一年的电力消耗。第一批新太阳能热板将于2020-2021年安置。根据瑞士的能源发展路线图规划,至2050年,瑞士将通过太阳能发电满足20%的电力需求。

CERN是世界上最大的科学研究中心之一,它关注的重点是基础物理,研究宇宙是由什么构成的以及它是如何演化的。在CERN,世界上最大和最复杂的科学设施被用来研究物质的基本成分——基本粒子。物理学家们通过研究这些粒子碰撞的过程来了解自然的规律。

CERN除了要努力获得它所承诺的物理研究成果之外,建造世界最大的粒子加速器本身就是一项巨大的成就,它扩展了技术的边界,产生了很多重大的突破和应用,影响了从医学到微电子、太阳能到计算机建模等多项领域的研究和商业实践。CERN已由纯粹的基础研究成为技术创新的温床,一些技术的潜在应用可能需要几年甚至更长的时间来认识与发展。

2008年,CERN对价值约10亿欧元的高科技合同的影响作了研究,这些合同被授予630家参与LHC建设的公司。与CERN签订合同的公司获得了大量的专业知识,为公司的进一步发展提供了机会。在178家公司中,有30%表示他们已开发出与粒子物理无关的新产品,17%的公司已建立了新的市场,14%的公司已建立了新的业务部门。

这些数据充分说明了CERN基础研究本身的影响,以及CERN能够产生直接影响社会的创新。

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