說出來你可別不信,愛因斯坦也發明過冰箱

2020-11-26 中國家電網

　　九十年前，無需動力、節能環保的冰箱就已出現，它的設計者竟是兩位物理大咖!

　　秋意漸濃，回頭看著整個夏日不停運轉的冰箱、空調，再摸一摸荷包，是不是又陡然生發「荷包漸薄終須悔，為伊消得人憔悴」的感慨呢?如果有一款無需動力、節能環保的冰箱，一定能緩解你面對電費帳單時的惆悵。其實，這樣的冰箱早在上世紀二十年代就已出現，而且你一定想不到，它的發明者竟是兩位赫赫有名的理論物理學家!

　　兩位大咖

　　其中一位物理學家，是愛因斯坦。說起他，人們總會聯想到相對論、質能方程、光電效應等令人驚嘆的學術名詞。可是，很少有人知道，愛因斯坦除了是一位在科學理論方面富有創造性的天才，還對發明技術裝置饒有興趣。據統計，他在45至50歲的幾年間，申請了多達19項發明專利，遠遠超過他當時所發表的科學論文數量。

　　愛因斯坦(圖片來源：thenextweb)

　　另一位物理學家，名叫利奧·西拉德(Leo Szilard)。正是他第一次討論了維持鏈式核反應的原理，並第一次提出了「臨界質量」這一重要概念。早在1934年，他就明確提出可以通過原子核的鏈式反應來製造原子彈。許多人都認為西拉德對原子彈的貢獻超過奧本海默，稱其為「事實上的原子彈之父」。不過，西拉德卻始終覺得自己不是搞理論物理的材料，因此花了大量時間醉心於技術發明。

　　西拉德(圖片來源：findingdulcinea)

　　1919年，23歲的西拉德離開故鄉匈牙利，前往德國柏林大學攻讀物理博士。當時的柏林大師雲集，愛因斯坦、普朗克、能斯特等一大批物理學家常常舉辦學術沙龍。西拉德自然不願錯過與大師們交流的機會，每次學術沙龍他都踴躍參加，而且每每擠在第一排，給愛因斯坦留下了深刻印象。後來，西拉德還進入愛因斯坦主持的統計物理研討班。儘管二人十分不同，愛因斯坦謙遜內斂，西拉德直率外向，但他們卻都有著強烈的社會責任感，也都鍾愛發明新裝置，很快就成了亦師亦友的忘年交。

　　愛 因斯坦和西拉德在討論問題(圖片來源：atomicheritage)

　　一個悲劇

　　1926年的一天清晨，一陣急促的敲門聲打破了西拉德的夢鄉，他打開門後，發現愛因斯坦正面色凝重地站在外面。

　　沒等西拉德開口，愛因斯坦就迫不及待地說：「西拉德，我們一起研製一款新型冰箱吧!」

　　西拉德有些摸不著頭腦，問道：「先生，發生什麼事了嗎?」

　　原來，當天早晨，愛因斯坦從報紙上看到一則新聞：柏林的一戶人家在睡眠時，由於冰箱密封處損毀，有毒氣體外溢，釀成了全家死亡的悲劇。

　　其實，類似的悲劇在當時屢見不鮮。雖然美國工程師帕金斯(Jacob Perkins)在1834年就發明了可連續工作的製冰機，但直到二十世紀初，冰箱依舊是個新鮮玩意兒。當時的冰箱與如今的冰箱很相似，核心部件都是壓縮機。然而，機械式壓縮機在長期運轉後，軸承和密封墊難免會磨損，這就給製冷劑洩漏留下了可乘之機。更可怕的是，與現在常用的無毒環保的製冷劑不同，在冰箱普及之初，人們使用的氯甲烷、氨和二氧化硫等製冷劑全都有毒，一旦洩漏，足以使人斃命。

　　一臺1927年生產的普通冰箱(圖片來源：wikipedia)

　　愛因斯坦悲痛地將新聞中的慘劇告訴西拉德，西拉德聽罷，立刻應允，並說道：「我們研製的冰箱必須取消機械運動部件，才能徹底防止製冷劑洩漏。」

　　想法雖好，只是，沒有機械驅動，冰箱還能運轉嗎?這可難不倒西拉德，要知道，他讀博士期間專攻熱力學，曾經僅用三周時間就完成了博士論文，令愛因斯坦大為震驚。

　　三種設計

　　作為傑出的物理學家，愛因斯坦和西拉德深諳各種物理原理，他們還十分熟悉技術工作，因此，研製冰箱的過程頗為順利。

　　僅僅幾個月後，愛因斯坦和西拉德就研製出一種吸收式冰箱。我們知道，在常規的蒸汽壓縮制冷機中，高溫高壓的蒸汽是通過壓縮機產生的。而吸收式冰箱卻獨闢蹊徑，採用火焰加熱化學溶液(如氨水)，釋放出冷卻劑。接下來的過程就和普通冰箱一樣了，高溫高壓的蒸汽在冷凝器中液化放熱，然後進入與冰室相連的蒸發器中並發生氣化吸熱，從而在冰室中產生人造冰。

　　愛因斯坦和西拉德設計的一種吸收式冰箱原理圖(圖片來源：wikipedia)

　　愛因斯坦對這一發明很滿意，可西拉德卻有些愁眉不展。原來，西拉德經過計算後發現，如果將吸收式冰箱投入生產，價格很可能過於高昂，不利於推廣普及。於是，他們決定著手研製一種更廉價的冰箱。

　　不久，二人便基於噴射原理設計出了更為簡單的制冷機。他們採用甲醇作製冷劑，利用自來水本身的水壓噴射出高速水流，水流流經甲醇表面上方後即形成一個低氣壓區，從而加速甲醇的蒸發，達到製冷的目的。

　　兩位大咖設計的噴射式冰箱原理示意(圖片來源：文獻[2])

　　在巧妙應用物理原理的康莊大道上，愛因斯坦和西拉德一發不可收拾。後來，他們又根據電磁原理設計出了第三種冰箱。這種冰箱採用焊接技術將一種液態金屬(如水銀、鉀鈉合金)密封於一個不鏽鋼氣缸中，在氣缸外側纏繞線圈並通入交流電。學過電磁感應的小夥伴對此一定很熟悉，正如電動機定子線圈中的交流電會產生旋轉磁場而帶動轉子轉動一樣，氣缸外側線圈中的交流電也會使液態金屬的電磁場發生變化，這樣液態金屬便在氣缸中往復運動，起到活塞的作用，不斷壓縮製冷劑。

　　兩位大咖設計的電磁式壓縮機原理圖(左)及實物(右)(圖片來源：文獻[2])

　　命途多舛

　　僅用了兩年，愛因斯坦和西拉德就根據吸收原理、擴散原理和電磁原理設計出了三種冰箱。儘管依據的科學原理不同，但這些冰箱有一個共同的優點：無需任何機械運動部件!

　　愛因斯坦和西拉德為自己的發明在六個國家申請了四十多個專利，可悲催的是，居然沒有一家公司願意將他們的發明投入生產!原因在於，雖然二人發明的冰箱有很高的可靠性，避免了製冷劑洩漏，但製造成本較高，製冷效率卻低於普通的冰箱，尤其是電磁式冰箱中的液態金屬在流動時還常常發出刺耳的噪音。何況當時正處於經濟大蕭條時期，很多製造商元氣大傷，根本無力生產新型冰箱。

　　一波未平，一波又起。1930年，新型製冷劑氟利昂橫空出世，它穩定、無毒，即使洩漏也不存在安全隱患。如今我們早已深知氟利昂對地球大氣的危害，可在當時，它的出現卻令人們歡欣鼓舞。自此，愛因斯坦和西拉德研製的冰箱徹底被束之高閣了。

　　採用氟利昂作製冷劑的冰箱，它的出現使愛因斯坦和西拉德設計的冰箱退出了歷史舞臺(圖片來源：wonderthought.wordpress)

　　然而，世事難料。兩位大咖設計的電磁式液態金屬壓縮機不帶任何機械傳動裝置，可以做直線振動並依靠彈簧實現運動反向，不但解決了製冷劑和潤滑劑之間相互作用的問題，還因為採用密封式設計而具有優異的可靠性。由於這些優點，電磁式液態金屬壓縮機在上世紀五十年代枯木逢春，被成功應用到核反應堆的冷卻系統中。後來，這種直線運動式的電磁裝置還成為磁懸浮列車推進器的重要組成部分。

　　如今，隨著人們對全球氣候變遷及能源問題愈加憂慮，愛因斯坦和西拉德研製的冰箱重新獲得不少研究者的關注。2008年，牛津大學的研究團隊成功復原了兩位大咖設計的冰箱，其可採用太陽能來提供能源，非常便於攜帶。愛因斯坦和西拉德一定不會想到，時隔近九十年，他們研製的冰箱居然會為拯救地球做出小小的貢獻!

　　如今，愛因斯坦和西拉德的冰箱重新獲得不少研究者的關注(圖片來源：wired)

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