80% солнечной радиации поглощается атмосферой. Эта команда нашла способ подключиться к остальным.
По оценкам, каждую секунду на Земле теряются миллионы гигаватт чистой энергии. Около 80% солнечной радиации, попадающей на нашу планету, поглощается атмосферой, океанами и поверхностью планеты. Остается инфракрасное (ИК) излучение. Этот чистый и обильный источник энергии пока остается неиспользованным. Ученые ломают головы, пытаясь понять, как компенсировать эту энергию для человеческих целей.
К сожалению, волны крошечные и длятся всего одну квадриллионную долю секунды. Таким образом, никто не смог построить достаточно маленькую антенну, чтобы собрать его. Помимо сложности изготовления или тестирования антенны на наноуровне, инфракрасные волны колеблются в тысячи раз быстрее, чем скорость, с которой полупроводник может перемещать электроны через соединение. Другими словами, волны движутся слишком быстро, чтобы мы могли собирать с них электричество.
Поэтому группа физиков решила попробовать другую тактику, используя квантовое туннелирование. А недавно объявили о прорыве. Ученые из Университета науки и технологий имени короля Абдуллы (KAUST) в Саудовской Аравии создали способ сбора этой энергии и превращения ее в электричество. Их результаты были опубликованы в журнале Materials Today Energy.
Диаграмма квантового туннелирования. Предоставлено: Cranberry, Wikimedia Commons.
Вместо того, чтобы иметь дело с этим как есть, исследователи из KAUST решили рассматривать ИК-излучение как электромагнитные волны. Ведущий исследователь Атиф Шамим сказал, что «в мире нет коммерческого диода, который может работать на такой высокой частоте». Чтобы совершить этот прорыв, они обратились к квантовому туннелированию. Это странное явление в квантовой механике, когда частица может пройти через твердый барьер, на преодоление которого у нее нет энергии.
Скажем, мяч ударился о стену. Этот шар - частица, а стена - барьер, с которым он сталкивается. Мячу не хватает энергии, чтобы перелезть через стену. Так что необъяснимым образом он каким-то образом проходит через него, исчезая и внезапно появляясь с другой стороны. Туннелирование требует меньше энергии, чем перелезание, и возможно благодаря так называемой суперпозиции.
Поскольку положение и форма любой частицы не являются полностью фиксированными, пока не будут измерены, это неоднозначное состояние позволяет частицам делать довольно странные и удивительные вещи, которые не могут быть объяснены классической физикой. Хотя квантовое туннелирование начинает использоваться в технологиях, например, в квантовых вычислениях, физики до сих пор не понимают, как именно и почему это происходит.
Исследователи KAUST вместо того, чтобы использовать полупроводник для перемещения электронов, воспользовались преимуществом квантового туннелирования. Шамим и его коллеги создали наноантенну в форме галстука-бабочки, прикрепленную к диоду металл-изолятор-металл (MIM). Инфракрасные волны втягиваются антенной, а затем проходят через невероятно тонкий барьер, который позволяет собирать электроны за считанные фемтосекунды (квадриллионные доли секунды).
Наноразмерная антенна представляет собой два перекрывающихся металлических рукава с тонкой пленкой из золота и титана посередине, что позволяет генерировать электрическое поле, способствующее туннелированию. Используемый материал не нагревается и не охлаждается, поэтому его не нужно ни охлаждать, ни нагревать.
Эта технология является масштабируемой, поскольку ее конструкция основана на физических, а не на химических свойствах. Постдокторский исследователь Гаурав Джаясвал, который работал над проектом, сказал в пресс-релизе: «Самой сложной частью было наномасштабное перекрытие двух плеч антенны, что требовало очень точного выравнивания. Тем не менее, объединив хитрые приемы с передовыми инструментами на предприятии KAUST по производству наноматериалов, мы достигли этого шага».
Исследователи говорят, что это может изменить правила игры для возобновляемых источников энергии. В то время как фотоэлектрические солнечные панели могут собирать энергию только днем, когда светит солнце, инфракрасное тепло можно собирать круглосуточно и без выходных в любую погоду. Этот метод может также использоваться для рекуперации энергии из отработанного тепла, образующегося в ходе промышленных процессов.
В будущем миллионы таких устройств могут быть настроены для сбора энергии. Тем не менее, впереди еще много технических проблем. По словам доктора Шамима, это было только исследование, подтверждающее концепцию, начало долгого пути к новой форме чистой, безотходной энергии.
Сможет ли когда-нибудь солнечная энергия превзойти все другие формы энергии? Посмотрите, что думает Митио Каку здесь.