空心手电筒的关键部件,是4片帕尔帖电热片。这种电热片在其两侧温度有差异的状况下会产生电流。马克辛斯基巧用了这种特性,让手掌加热电热片的一侧,另一侧则用散热片冷却,造成稳定的温差,研制了功率5.4毫瓦、真正用手点亮的电筒。
马克辛斯基对人体的理解十分有趣,她认为人就像是“会走动的100瓦灯泡”。因此值得研究如何将人体散热利用起来。她计算过,人体的辐射为5.7毫瓦/平方厘米,而点亮LED仅需0.5毫瓦。
她试用了两种帕尔帖电热片,尽管都能发出直流电,但只有区区几毫伏。而她需要至少2.5伏!必须转换为交流电,才能升高电压。她在一个戏称为“焦耳窃贼”的网站上找到电源转换器集成电路LTC31088的资料,用反馈场效应晶体管构建一个振荡器,实现升压比为5:125的变压。实验中,当振荡器工作电压升至120毫伏时,LED开始发光。
她最终的电路由4个部件组成:IC、升压比1:100的变压器、47微法电容,以及LED。她以50毫伏的直流电得到5伏的交流电,足够点亮LED。
她设计的手电筒有内外两层。内层为直径25毫米、长度125毫米的铝管,镶嵌着4片总面积为16平方厘米的帕尔帖电热片,再置入包裹绝缘泡沫的PVC管里。使用者的手掌通过PVC管的开口握到电热片,使其外侧发热。铝管是空心的,内部流通的空气对电热片内侧进行冷却。结果是,实现了至少5摄氏度的温差,手电筒发出明亮的光线!
外出步行测试中,在10摄氏度温差下手电筒的照度超过50勒克斯,手电筒光束平稳时间超过20分钟。这证明了她一开始的认知:尽管有温度和电压转换的损失,手掌仍有足够的能量提供可用光线。而计算表明,手电筒的实际功率是理论功率的20%,这也是相当不容易的。
马克辛斯基表示获奖是个很大的启发,让她更主动学习,自信地选择职业。5万美元的奖金让她能配备更先进的设备和材料,更有效地设计;而奖励的加拉帕戈斯群岛之旅让她能遇到同样热爱科学的人。
她希望未来能提高转换效率,使手电筒更加明亮。对前景她充满信心,认为这项技术有无限的可能性。想象一下,握着手机通话的同时为手机充电;教室的椅子贴上珀尔帖电热片,用她的方法将收获的热量放大、转化为电能收集起来。当然,更有希望把这一技术用于无线医疗传感器的供电。 凌启渝