Электроснабжение от графеновых наногенераторов – новый вектор развития энергетики — igryzone.ru

Neutrinovoltaic – это новый термин в области энергетических технологий, который следует обязательно запомнить. Он состоит из комбинации двух слов нейтрино и фотогальваника. Это инновационная технология, которая позволяет получать электроэнергию от электромагнитных излучений невидимого спектра излучения.

Первую часть термина Neutrinovoltaic определяет понятие «нейтрино».

Нейтрино – это крошечные частицы невидимого спектра излучения из космоса, которые постоянно и в больших количествах пронизывают каждую точку Земли. В этом заключается их сходство с солнечными лучами. Разница только в том, что нейтрино всегда доходят до нас, независимо от времени суток, времени года и погоды. Кроме того, нейтрино имеют очень малую массу. Это было доказано двумя всемирно известными физиками, канадцем Артуром Мак Дональдом и японцем Такааки Кадзита, с помощью недавно разработанных современных методов измерения. За это открытие оба исследователя получили Нобелевскую премию по физике в 2015 году. Поток нейтрино через 1 см2 земной поверхности в секунду оценивается приблизительно в 60 млрд. частиц.

До недавнего времени ученые затруднялись определить, возможно ли использовать нейтрино для каких-либо практических целей, так как считалось непреложной истиной, что через все природные материалы, включая тела человека и животных, нейтрино проходят практически бесследно. Именно по этой причине мы не замечаем их присутствия в повседневной жизни. По причине такой всепроникающей способности было непонятно каким образом можно использовать частицу нейтрино.

Однако, когда нейтрино сталкиваются с искусственно созданным, более плотным материалом, они отдают часть своей кинетической энергии атомам этого материала. Сам механизм взаимодействия нейтрино с веществом раскрыли опубликованные результаты экспериментов COHERENT, проведенные в лаборатории Ок-Ридж (США), доказавшие, что нейтрино низких энергий участвуют в слабых взаимодействиях с ядрами веществ. Аналогичную модель взаимодействия нейтрино с атомами графена можно принять в качестве теоретического обоснования схемы конвертации энергии нейтрино в постоянный электрический ток.

Согласно теории Максвелла, причиной возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов, поэтому любое электромагнитные излучения воздействуют на атомы графена увеличивая частоту его колебаний. К примеру, ученые Массачусетского технологического института работают над созданием устройства на основе графена, которое может преобразовывать окружающие терагерцевые волны в постоянный ток, объясняя при этом, что любое устройство, которое отправляет сигнал Wi-Fi, также излучает терагерцевые волны – электромагнитные волны с частотой между микроволнами и инфракрасным светом. Эти высокочастотные волны излучения, известные как «Т-лучи», также возникают под воздействием почти всего, что регистрирует температуру, включая наши собственные тела и неодушевленные предметы вокруг нас. «Мы окружены электромагнитными волнами в терагерцовом диапазоне», – говорит ведущий автор Хироки Исобе, постдок в Лаборатории исследования материалов MIT. «Если мы сможем преобразовать эту энергию в источник энергии, который мы можем использовать для повседневной жизни, это поможет решить энергетические проблемы, с которыми мы сталкиваемся сейчас».

Holger Thorsten Schubart, генеральный директор Neutrino Energy Group

Возможность получения электроэнергии под воздействием энергетических и тепловых полей, окружающих нас – это новое направление и принципиально новое решение для сферы энергоснабжения. Сегодня исследователи сконцентрировали свое внимание на графене, так как колебания его атомов, происходящие в виде «графеной волны» из-за воздействия заряженных частиц, и являются тем самым механизмом преобразования их энергии в электрический ток. Теоретические исследования дают объяснение, что источником этого процесса является электрон-фононная связь, поскольку она подавляет жесткость длинноволнового изгиба и усиливает вне плоскостные флуктуации. Необходимо понимать, что любая поступающая энергия рассеивает электроны графена во всех направлениях, симметрично, поэтому сами по себе колебания атомов графена не могут вызвать направленное движение электронов. Holger Thorsten Schubart, научный руководитель Neutrinovoltaic проекта и президент группы компаний Neutrino Energy Group, объясняет, каким образом удалось решить задачу получения постоянного электрического тока, – «Основываясь на имеющихся и уже опубликованных исследованиях в области графена, мы установили, что другие ученые экспериментировали с графеном, помещая его поверх слоя нитрида бора, подобной сотовой решетки, состоящей из двух типов атомов – бора и азота. При таком расположении силы между электронами графена были «выбиты» из равновесия: электроны ближе к бору чувствовали определенную силу, в то время как электроны ближе к азоту испытывали другое притяжение. Общий эффект заключался в том, что физики называют «косым рассеянием» – процесс, когда облака электронов отклоняют свое движение в одном направлении. Поэтому мы пошли по несколько иному пути, мы создали многослойный наноматериал из чередующихся слоев графена и кремния нано толщиной и добавили легирующие элементы, которые и выбивали электроны из равновесия, заставляя их течь в одном направлении, т.е. возникал электрический ток».

Актуальность появления Neutrinovoltaic технологии сложно переоценить. Neutrinovoltaic источники тока имеют компактные габаритные размеры, генерируют постоянный электрический ток в базовом режиме 24 часа в сутки вне зависимости от погодных условий, кроме того, они не имеют движущихся деталей, не требуют эксплуатационных затрат. Подобные характеристики позволяют размещать такие наногенераторы тока внутри корпусов приборов и оборудования, а также внутри корпусов электромобилей, обеспечивая автономность их хода и эксплуатации. Компания Neutrino Energy Group готовит проект реконструкции собственных производственных мощностей в Германии для выпуска такого абсолютно независимого от зарядных электростанций электромобиля, названного Pi-Car.

Кроме того, одним из очень перспективных направлений видится выпуск Neutrino Energy Cubes – источников постоянного тока для электроснабжения частных домовладений.

Энергопереход на альтернативную энергетику, к которому стремится мировое сообщество, – это безусловно стимул для быстрого развития принципиально новых энерготехнологий и шанс для внедрения инновационных способов электрогенерации, таких как Neutrinovoltaic технология, которая несомненно займет свое место на рынке энергетики и сыграет важную роль в удовлетворении растущих потребностей в энергии для комфортной жизни на Планете для нас и будущих поколений в балансе с природой и высокими экологическими требованиями развития мировой экономики.

Автор: Румянцев Л.К., к.т.н.