[物理史] 愛因斯坦-西拉德冰箱的專利核准了

愛因斯坦-西拉德冰箱的專利核准了
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
（譯自APS News，2010年11月）

愛因斯坦最為大家所熟知的是，他導出了全世界最有名的方程式：E=mc²。然而，他在物理方面的貢獻非常廣泛，包括布朗運動、光電效應、特殊和廣義相對論、以及後來衍生出雷射的受激輻射等。至於他和西拉德（Leo Szilard）共同發展出無運轉部件的高效能吸收式冰箱則鮮為人知，即使是物理學家也少有人知。

1898年，西拉德出生於匈牙利布達佩斯，父親是一位土木工程師。在第一次世界大戰期間，他服役於奧匈帝國軍隊，戰後，回到大學攻讀物理，受教於愛因斯坦和普朗克（Max Planck）等。西拉德的博士論文是有關熱力學，1929年，他發表了一篇開創性的論文〈論熱力學系統被精靈介入後熵的減少〉，是物理學家在19世紀馬克士威（James Clerk Maxwell）提出「馬克士威精靈」的思考性實驗後，嘗試進一步了解其要義的論文之一。

西拉德對發明有獨到的本領，當他仍是一個年輕的科學家時，他即申請偵測X光的電池和水銀燈改良的專利。他還申請電子顯微鏡，以及直線加速器和迴旋加速器的專利，這些發明均有助於物理研究的重大改進。西拉德在20世紀最重要的貢獻是他於1933年最先想到中子的連鎖反應，1955年，他和費米（Enrico Fermi，1938年諾貝爾物理獎）共同獲得了第一個核反應爐的專利。

愛因斯坦年輕時曾在柏恩任專利職員，對於專利申請過程並不陌生。他後來於1934年和一位德國工程師戈耳斯密特（Rudolf Goldschmidt）同獲一種可行助聽器原型的專利，是他認識的一位深受失聰所苦的歌手給了他發明的靈感。

當他們見面時，愛因斯坦由於相對論的研究已舉世聞名，而西拉德才剛在起步階段，是柏林大學的研究生助理。他們倆人合作研發冰箱的動力是因1926年報載，柏林有一家人在睡眠時，由於冰箱密封處壞損，有毒氣體外漏滿溢屋子，導致全家死亡的悲劇。當時這樣的外漏現象發生頻率驚人，因為越來越多人以新式的，使用如氯甲烷、氨、二氧化硫等有毒氣體當作冷媒的機械冰箱，來取代傳統的冰桶。

冷卻系統專利圖

此悲劇讓愛因斯坦感觸很深，他告訴西拉德說，一定有比使用機械壓縮機和有毒氣體的新式冰箱更好的設計。他們倆人於是開始去尋找，專心研究吸收性冰箱，即利用熱源來驅動吸收過程，經由化學溶液釋放出冷卻劑，當時常用的熱源是天然氣焰。相同的技術於1922年便已由瑞士的發明家採用，而西拉德則利用他在熱力學的專業知識找出了改良的方法，所使用的熱源是經由三組互聯電路以驅動氣體和液體的混合體。

他們所設計冰箱的其中一個要件是愛因斯坦-西拉德電磁泵，此電磁泵沒有運轉的零件，而是依賴經由交流電經過線圈所產生的電磁場，帶動液體金屬，接著金屬作為活塞，壓縮冷媒。其餘的運轉過程與現在傳統的冰箱相同。

愛因斯坦和西拉德需要一位工程師幫他們設計一個可運作的原型，他們找來了寇若迪（Albert Korodi），他和西拉德都是布達佩斯理工大學工科學生，因而認識，後來他們都搬到柏林成了鄰居好友。

德國A. E. G.電器公司同意發展他們的泵科技，並僱用寇若迪為全職的工程師。但當金屬液流經此設計的泵時，會因空腔效應導致聲音很大。一位同時期的研究員說它「像狼一樣吼叫」，但寇若迪聲稱它的聲音比較像流水。寇若迪改變電壓，並增加泵的線圈數，大大降低了它的噪音。另一個挑戰是金屬液的選擇，水銀導電性不夠，因此泵改用鉀-鈉合金，但因此合金化學反應性強，所以需要特別的密封系統。

雖然愛因斯坦和西拉德在6個國家申請了超過45個專利，卻沒有任一個冰箱設計曾經商品化，只有拿到幾個許可，但也因此在那些年給兩位科學家提供為數不少的額外收入。愛因斯坦/西拉德泵對於滋生反應器很有用處，但這些原型耗能量大，而經濟大蕭條重挫了許多有潛力的製造商。但主要是在1930年採用新的無毒氟氯烷冷媒後，愛因斯坦/希拉德冰箱才宣告結束。

近年來人們對他們的設計重燃起興趣，主要由於對氣候變遷的關切，以及氟氯烷與其他氟氯碳化物對臭氧層的影響，引發大家對環境的憂慮，進而找尋替代能源的需要。2008年，牛津大學的研究團隊在發展更適用裝置計劃中建造了他們設計的一個原型；喬治亞理工學院一位前研究生德蘭諾（Andy Delano）也建造了愛因斯坦和西拉德其中一種設計的原型；還有在劍橋的研究團隊也正試驗經由磁場來冷卻的方法。也許這個發明無法對全球做出大變革，但它可能在愛因斯坦和西拉德提出最初構想的70多年後，用它小小的方式幫助拯救地球。

進一步閱讀：

• Dannen, Gene. “The Einstein-Szilard Refrigerators,” Scientific American, January 1997.

感謝楊信男教授同意授權刊載。

系列文章100篇已集結成冊，由五南出版，書名為《物理奇才奇事》。