По оценкам, миллионы гигаватт чистой энергии теряются каждую секунду на Земле. Около 80% солнечной радиации, которая поражает нашу планету, поглощается атмосферой, океанами и поверхностью планеты. Остается инфракрасное (ИК) излучение. На данный момент этот чистый и богатый источник энергии остается неиспользованным. Ученые почесывали головы, пытаясь понять, как вернуть эту энергию для человеческих целей.
К сожалению, волны крошечные и длятся всего четыре с половиной секунды. Таким образом, никто не смог построить антенну, достаточно маленькую, чтобы собрать эту энергию. Помимо сложности изготовления или тестирования антенны в наномасштабе, инфракрасные волны осциллируют в тысячи раз быстрее, чем скорость, с которой полупроводник может перемещать электроны через соединение. Другими словами, волны двигаются слишком быстро, чтобы мы могли собирать электричество от них.
Квантовое туннелирование для сбора возобновляемой энергии
Группа физиков из Университета науки и технологий короля Абдуллы (KAUST) в Саудовской Аравии решила попробовать другую тактику, используя квантовое туннелирование. И недавно они объявили о прорыве. Ученые создали способ собрать эту энергию и превратить ее в электричество. Их результаты были опубликованы в журнале Materials Today Energy .
Диаграмма квантового туннелирования.
Исследователи из KAUST решили рассматривать ИК-излучение как электромагнитные волны. Они попробовали решить проблему путем квантового туннелирования, так как не существует пока радиоприборов, которые способны функционировать на нужной частоте. Это странное явление в квантовой механике, где частица может двигаться через твердый барьер, который не имеет энергии для преодоления.
Скажем, что мяч идет у стены. Этот шар – это частица и стена, барьер, который он встречает. У мяча недостаточно энергии, чтобы подняться над стеной. Так необъяснимо это как-то туннелирует через него, исчезая и внезапно появляясь на другой стороне. Туннелирование требует меньше энергии, чем преодоление и возможно благодаря тому, что называется суперпозицией.
Поскольку положение и форма какой-либо частицы не полностью фиксированы, до тех пор, пока они не будут измерены, это неоднозначное состояние позволяет частицам делать некоторые довольно странные и удивительные вещи, которые не могут быть объяснены классической физикой. Хотя квантовое туннелирование начинает использоваться в технологии, например, при квантовых вычислениях, физики до сих пор не понимают, как и почему это происходит.
Антенна KAUST IR. Кредит: KAUST.
В чём суть технологии? Конструкция основана на химических свойствах
Итак, что сделали исследователи KAUST, вместо того, чтобы использовать полупроводник для перемещения электронов, они воспользовались квантовым туннелированием. Шамим и его коллеги разработали нано-антенну в форме луковицы, прикрепленную к диоду металл-диэлектрик-металл (МИМ). Инфракрасные волны втягиваются антенной, а затем проходят через невероятно тонкий барьер, что позволяет собирать электроны в фемтосекундах (квадриллионные доли секунды).
Наномасштабная антенна представляет собой два перекрывающихся металлических плеча с тонкой пленкой из золота и титана посередине, что позволяет генерировать электрическое поле, которое предлагает туннелирование. Используемый материал не нагревается и не охлаждается , поэтому его не нужно охлаждать или нагревать.
Эта технология является масштабируемой, поскольку ее конструкция основана на физических, а не химических свойствах. Постдокторский исследователь Гаурав Джаясваль, работавший над проектом, сказал в пресс-релизе: «Самой сложной частью было нанометровое перекрытие двух антенных кронштейнов, что требовало очень точного выравнивания. Тем не менее, объединив умные трюки с передовыми инструментами в KAUST мы сделали этот шаг».
Исследователи говорят, что это может быть настоящий «игровой чейнджер» для возобновляемых источников энергии. В то время как фотоэлектрические солнечные панели могут собирать энергию только в течение дня, когда солнце светит, инфракрасное излучение может быть собрано 24-7, в любую погоду. Этот метод может быть использован для возврата энергии из отработанного тепла, образующегося в ходе промышленных процессов.
В будущем миллионы этих устройств могут быть созданы для сбора энергии. Тем не менее многие технические проблемы все еще впереди. По словам доктора Шамима, это было только доказательство концепции, начало долгого пути к новой форме чистой, чистой, нулевой энергии отходов.
Будет ли солнечный в один прекрасный день обгонять все другие формы энергии?