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未来·无限

简介

GIST

主持人:香港电台公共事务组

身处世界关键的转折,需要眼界和知识。
每个星期六,我们会邀请一位科学家,介绍在其研究范畴内一个正在影响世界未来发展、我们不可不知的趋势,以专业和视野来培养具前瞻的预测与洞察力。
星期六早上,让我们看远一点,看到未来的无限可能。

监制: 林嘉瑜
制作: 张璟莹

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07/12/2024

新型半导体材料 助减电力转换能耗

嘉宾:香港科技大学电子及计算机工程学系副教授黄文海

「我是黄文海,现时任职香港科技大学电子及计算机工程学系副教授,我的研究兴趣为半导体材料和微电子芯片技术方面,我现时专注第三代和第四代,即是新型半导体材料的基础和应用研究,这些技术主要会在高功率电子领域,或称为「电力电子领域」有很多应用的场景。」

电力电子技术的应用,会对世界有何影响? 其中一个例子是新能源方面。各地致力减少温室气体排放,越来越多国家尝试使用新能源取代化石能源,而改用电动车,亦即是新能源汽车是大势所趋,正因为这样,带来了半导体支持新能源汽车行业的需求。 

「另一个例子就是储能产业。储能即是能源储备,是全球经济发展和经济复苏需要考虑的一个重要环节。就如太阳能,我们希望尽量利用天然资源,不要浪费,便需要一个硬件电力系统,负责储备大自然给予我们的天然资源。储能产业亦能够为新能源产业往后的发展,注入强劲的动力。据一些相关研究显示,以香港为例,如果可以充分利用香港建筑物天台安装太阳能板时,每年本地可生产最高约八亿八千万千瓦时(kilowatt-hour)的电能。在这个背景之下,香港虽然寸金尺土,但我们城市是试验太阳能储能产业的其中一个好地方。储能产业不单止在香港具有经济价值,亦有效优化香港土地资源里的电网配置,可以节省工商业的用电成本,亦可以解决能源过剩的问题,产生社会效益。

最后一个关于电力电子领域可以产生影响的地方,可能大家不会想到相关性,其实是与资讯科技有关。我们今日身处一个资讯流通的时代。物联网(IoT)和人工智能(AI)均牵涉到许多数据流通和交换。背后资讯及资料的储存、处理都需要数据中心协助。数据中心是什么?就是处理公司、个人或政府所需要的记录或运算的资料。数据中心由许多电脑伺服器、储存设备及一些网络设备组成。它们电力供应当然需要稳定,由于数据量高并且流通量多,耗电量大,我们都关心它们电源使用的效率。所以数据中心的电力供应和管理方案,以及它们之间如何互相整合,亦都变得日益重要。」

由于现今世界追求高能源效益和减低碳排放,对于新式微电子技术的技术要求变得更加严格。 而新一代电力电子技术有助发展高效能的储能系统、新型电动车技术和数据中心内的高效能电力系统。 

「我们其中一个研究方向,就是开发出一些适用于电力电子系统的功率变换要求的新型半导体技术。刚刚我提及的第三代、第四代半导体,即新一代的半导体,亦称为「宽禁带半导体」。我们的研究正大力推动这些新的半导体技术,推动建构新型电力系统,加快推动新型电力系统的高品质、规模化发展。电力电子技术作为这些功率转换系统当中的核心,其实一直以来都是由低成本和可靠的传统半导体技术「硅」(Silicon)所主导。但为了适应新产业对于更高的功率密度,和更高的能源转换效益要求,「硅」其实有少许力有不逮。所以现今我们都想开发许多新型半导体,当中包括「碳化硅」(Silicon Carbide)和「氮化镓」(Gallium Nitride),这两个材料为主的宽禁带半导体。过去几十年,工业界和学校付出了很多努力,抢占了一些比较高端的市场。两者是第三代半导体所制造的微电子芯片,它们的优势就是具有比「硅」(Silicon)更高的耐压能力,以及更低的功率损耗,已经成为许多高效功率转换器内一个重要的部分。Tesla在最近一年内,便公布推出了以「碳化硅」成为它们电动车内一个很重要的半导体技术。

除了这两种材料之外,近年我们亦注意到一种所谓「超宽禁带半导体」,作为继第三代半导体后一种更加新型的半导体材料,就是所谓的第四代半导体。它们具有更加优异的潜力,亦都迅速崛起成为下一代电力电子技术的一个研究热点。相比起第三代的「碳化硅」和「氮化镓」,第四代半导体的材料包括「氧化镓」,一种氧化物,以及我们可能不觉得它会是半导体的金刚石,亦即是钻石,女士手上的首饰,其实都可以是一种半导体材料。它们不单止具备新能源技术所需要的高压、低损耗性能,而且都可以有机会满足到新产业规模化应用所需要的低成本需求。」

07/12/2024 - 足本 Full (HKT 09:20 - 09:30)

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将碳捕获转化为塑胶原材料

主持人:香港电台公共事务组

嘉宾: 香港理工大学应用物理学系系主任刘树平教授


「我是香港理工大学应用物理学系刘树平教授,我也是系主任及纳米材料讲座教授,亦是材料与器件中心实验室主任,以及光子技术研究院副院长。如果看气候变化问题,其实我们都知道碳排放影响我们现在每个人的生活,尤其是气候的变化,突然间出现超级台风,带来很大的影响,所以如何减低碳排放呢?其实有很多技术或者很多研究正在全世界进行,我们在做的是其中一个小部分。 」

香港现时约三分之二的碳排放源自发电。虽然煤在本地发电燃料组合中所占的比例已由2015年的一半大幅下降至目前的约四分之一,但是本地的燃料组合仍然侧重化石燃料。

「发电占本港碳排放很高的比例,尤其是用煤的话,现在政府有政策,发电厂尽量将煤改成天然气,就算用天然气,也会有碳排放的,只不过较少,所以碳的来源,发电厂是其中一个,现在另外一个比较多的是来自堆填区,堆填区亦产生很多碳排放。 未来香港会有焚化炉,或者称为I-PARK 综合废物管理设施,废物转化为能源,将都市垃圾焚烧,焚烧的过程产生热力,产生热力也可以发电,似乎是挺好的,但是它也会有碳排放 ,碳排放是不会消失的。」

科学家正在研究不同方法,将不同来源排放出来的碳收集、储存,甚至转化为其他有用的化学品。

「现时世上很多不同地方也有要求,如一些活动产生大量碳排放,应采取相应措施减低排放量,其中一种方法就是捕捉它,捕捉后又怎样储存它呢?有些方法就是放在地底,现在经常听见有发生地震,地震可能将二氧化碳排出来,比较好的方法就是转换成一些产品,譬如将碳变成塑胶,变成塑胶之后可能就会储存得久一点,至少在空气里面,份量不会不断地增加,你不要让它增加,你用多一点或者你捕获多一点的时候,那可能会减少。举一个例子,碳捕获了之后,转换成什么呢?我们在理工大学有一个研究,就是将它转换成乙烯,乙烯是一种气体来的。 乙烯是很重要的,全世界的需求很高,乙烯如果可以用电解的方法去制成乙烯,不是用石油化工来制乙烯的话,碳排放是相差很远的。那么乙烯用来制造什么呢?就是现在我们所有的塑胶产品,其实原材料都是由乙烯开始,全世界的需求是很大的。你想像一下,如果我不需要用化石材料的方法去制乙烯,而是需要在捕获了的碳来制乙烯的话,其实对环境的帮助会很大。」

团队希望能够在未来本港的转废为能设施,应用到这套负碳技术,收集和转化焚化炉排出的碳。 

「希望在未来的废转能装置于明年可以运作之后,我们有一些合作,将我们的负碳排放技术,可于装置内运用。 如果成功的话,真的可以将这个废转能的碳值去减低, 其一是对香港好,另外有一个技术示范的作用,装置在香港成功的话,其实可以辐射出去至大湾区、全世界。 有报导指,欧洲有五百座这种装置,设想五百座这种装置,每一座都有这种负碳排放的技术在里面,我相信对全世界的影响会很大。 」


香港电台第一台

26/10/2024 - 足本 Full (HKT 09:20 - 09:30)