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1995年发现奖:环境

了解史密森尼航空航天博物馆如何使用新型节能灯泡,在照亮展品的同时保护文物。

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参观位于华盛顿特区的史密森尼国家航空航天博物馆的游客,现在能以全新的视角看到曾经被登月宇航员穿过的宇航服。史密森尼博物馆是首个采用新型灯泡的客户,这种灯泡比传统照明更明亮、更节能,且发出的紫外线辐射更少。

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“这可以说是完美灯泡,”位于马里兰州罗克维尔市 Fusion Lighting 公司工程副总裁兼联合创始人迈克尔·尤里说。1990年,他在一个充满惰性气体氩气的水晶灯泡中加入少量硫磺,然后用普通微波炉使用的微波对其进行轰击。微波将硫原子激发到更高的能级,当它们的电子重新回到原来的轨道时,就会释放出大量光子——覆盖了整个可见光谱。

尤里获得了能源部的资助,他开发了一种带有微型微波发生器的灯泡——与您家微波炉中的一样,只是制造得更坚固一些。这种灯光非常明亮,以至于今年10月,史密森尼航空馆内的94盏汞灯和白炽灯被尤里的三盏硫灯取代。新灯泡提供三倍的亮度,但能耗却降低了25%,而且其低水平的紫外线不会损坏月球服或其他展品。由于硫灯没有灯丝或电极,它们的使用寿命很长,不易磨损。“我们在测试中已经连续运行了近10,000小时,没有任何磨损,”尤里说。

Fusion Lighting 预计该灯泡将在未来五年内在体育场馆、商场、工厂和仓库中普及。然而,进入家庭可能需要更长时间。“这些演示中的灯泡产生大约450,000流明,”尤里说。“普通白炽灯泡产生1,700流明。所以我们必须做得更小。而且便宜得多。但这是可能的。”

煮沸虫子

Aqua Heat Technology 的土壤消毒系统

发明者:Harry Rajamannan

1989年,哈里·拉贾马南偶然发明了一种杀死杂草的系统:他用热水喷洒它们。似乎热水能溶解叶片蜡质层,使内部水分逃逸。虽然这种方法效果不错,但拉贾马南承认这并不是一个重大的发现。这位企业家当时正在寻找一种绿色的杀虫方法,而不是杀草。

然而,1992年,美国环境保护局决定从2000年开始禁止使用甲基溴,这是一种廉价且广泛使用的杀虫剂。事实证明,这种物质是已知的最强的消耗臭氧层物质之一,美国农民每年使用6400万磅的该气体来消毒土壤并杀死攻击草莓、番茄及其他水果和蔬菜的线虫和真菌。如果没有清洁的替代品,数十亿美元的作物可能面临威胁。

当然,没有什么比热水更清洁的了。因此,明尼阿波利斯 Aqua Heat Technology 公司的总裁兼创始人拉贾马南,将他的除草机进行改造,配备了一个柴油加热器,每分钟可加热250加仑的水,并增加了一个旋耕机,将土壤团块搅碎,将热水注入地下14英寸处,那里是大多数杀死作物的害虫的栖息地。只需用塑料覆盖即可保持热量。“我们只需要将温度升高到115华氏度(约46摄氏度)40分钟,就能杀死所有线虫和真菌,”拉贾马南说。

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4月,拉贾马南开始了该机器的首次大规模试验:他正用它来种植各种蔬菜和水果直至收获。他已经为未来做好了计划。“我们不出售这些机器——它们太贵了,”他说。“我们将出去为农场提供服务。而且我们绝对保证杀死害虫。”

气态塑料

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北卡罗来纳大学教堂山分校的超临界CO2

发明者:Joseph DeSimone

为了制造塑料,化学家将单体连接形成聚合物,即塑料的基本分子,然后将其塑造成各种各样的产品。由于这种聚合反应必须在溶液(例如水)中进行,并且需要某种化学催化剂,因此会产生大量的危险废物——仅1992年就产生了5.67亿磅有毒化学品和液体废水。

北卡罗来纳大学教堂山分校化学教授约瑟夫·德西蒙(Joseph DeSimone)提出了一种消除液体废水的方法。他没有使用水或其他液体来支撑聚合反应,而是找到了一种利用二氧化碳的方法,二氧化碳在其失效后会汽化,或者很容易回收。诀窍在于使二氧化碳超临界——即在高压下,使其具有液体的密度和其他特性,包括作为化学反应溶剂的能力。

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事实上,如果不是有一个问题:超临界CO2与单体和聚合物的混合效果并不比油和水好,那么塑料行业早就拥抱超临界CO2了。为了解决这个问题,德西蒙设计了一种像肥皂一样的物质。“肥皂是一种分子,其一端喜欢水,另一端喜欢油,”德西蒙解释说。“它具有这种双重性质。所以我们设计了表面活性剂——类似肥皂的分子——其中一部分喜欢CO2,一部分不喜欢CO2。表面活性剂不喜欢CO2的一端会抓住单体,而喜欢CO2的一端则使单体保持在超临界CO2中。”

当德西蒙使用新型表面活性剂将有机玻璃的单体连接成塑料球时,化工巨头杜邦(DuPont)、伊士曼化工(Eastman Chemical)和赫斯特赛莱塞(Hoechst-Celanese)注意到了这一点,并同意资助他对其他CO2反应的研究。

卸妆

美国空军的碳酸氢钠剥漆系统

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发明者:Richard Slife

小苏打很适合做蛋糕和饼干。但谁会想到用它来给飞机除漆呢?

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空军会。毕竟,空军旧的除漆化学品——二氯甲烷——是环境保护局要求在1998年前大幅削减使用的17种有害污染物之一。为了寻求帮助,空军找到了南卡罗来纳州查尔斯顿的 Carolina Equipment 公司,该公司曾为工业清洁开发了一种小苏打剥漆剂。与喷洒并静置直到油漆松动并可刮掉的二氯甲烷不同,小苏打的作用更像喷砂。在高压水流下射到表面,这种磨蚀性粉末会立即剥离油漆。

然而,起初,小苏打的想法似乎永远无法成功。工业用剥漆剂使用从周围吸入的空气将储存的食用小苏打从料斗输送到软管喷嘴,在那里与水混合。当飞机机库的空气压力波动时,系统失灵,出现了问题。“我们每分钟能得到四分之一盎司的小苏打,然后会跳到一磅半,”美国空军材料工程师理查德·斯莱夫说。“如果每分钟超过半磅食用小苏打,就会对飞机材料造成结构损坏。这是不允许的。”

Carolina Equipment 公司与空军合作,设计了一个机械轴——称为螺旋进料系统——以更稳定地输送小苏打。螺旋的转速固定,因此每分钟进入空气管线的小苏打不超过半磅。

空军现在正使用该系统剥离货运飞机的油漆;该项目最终可能会使空军在剥漆上的花费减少一半。

空气中的东西

北卡罗来纳大学教堂山分校的污染物CT扫描仪

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发明者:Lori Todd

跟踪工作场所的污染物或工业工厂的排放是一种“碰运气”的操作。目前,科学家们只在一个特定地点进行几次测量,这能给他们提供排放的快照,但却无法告诉他们排放如何扩散到大气中。“人们只是在短时间内进行非常快速的测量,并用它们来猜测或判断长期情况,”北卡罗来纳大学教堂山分校环境科学与工程副教授洛丽·托德说。

为了更好地跟踪污染物,托德发明了一种可以称为化学CT扫描仪的设备。医疗CT扫描仪从不同角度向身体发射X射线以获得器官的图像,而托德的设备则向空气中发射红外线。由于每种污染物倾向于吸收独特的光谱的红外线,托德能够使用红外光谱仪获取一种化学指纹,告诉她空气中有什么化学物质。该设备允许她在大范围内同时进行多次测量,并组合成一幅化学排放物如何在空气中扩散的动态图像。托德现在的目标是确定获得可靠数据所需的最小光束数量。

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