Neutrinovoltaic технология

получения постоянного электрического тока под воздействием космических нейтрино, других электромагнитных и тепловых излучений

Изобретение защищено международным патентом WO2016142056A1.

Технология Neutrinovoltaic основывается на использовании многослойного наноматериала из чередующихся слоёв графена (одноатомный слой графита) и легированного кремния, который позволяет конвертировать электромагнитные излучения и тепло в электрический ток.

Присуждение Андрею Гейму и Константину Новосёлову Нобелевской премии по физике в 2010 году за «передовые опыты с двумерным материалом — графеном» открыло широкое поле для его использования в различных областях науки и техники. Лауреатам удалось «продемонстрировать, что монослойный углерод обладает исключительными свойствами, которые проистекают из удивительного мира квантовой физики», отметили в Нобелевском комитете. Графе́н — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. Атомы углерода находятся в sp²-гибридизации и соединены посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку.

 

Созданный компанией Neutrino Energy Group наноматериал содержит чередующиеся слои графена и легированного кремния, нанесённые на металлическую фольгу, как правило, алюминиевую, для уменьшения себестоимости производства источников тока. Графен – двумерный материал, способный вести себя как трёхмерный материал. Именно он является тем индикатором, который конвертирует тепловые и электромагнитные излучения в электрический ток. Плёнки графена удивительно прочны и упруги. Графен имеет очень высокую теплопроводность, что в сочетании с высокой электропроводностью обеспечивает возможность прохождения электрического тока в миллион раз превосходящего максимально возможный ток в пленках меди. При повышенных температурах согласно распределению Ферми–Дирака некоторая часть электронов переходит в зону проводимости, а в валентной зоне остаются "дырки". Это и предопределяет достаточно высокую электропроводность графена при комнатных температурах. Электроны проводимости, и "дырки" в графене имеют нулевую эффективную массу, т.е. они не могут быть неподвижными, а всё время перемещаются со "скоростью Ферми", которая в графене составляет примерно 106 м/с, то есть является уже релятивистской. Этим обусловлены очень высокая подвижность носителей электрического заряда в графене, минимум на 2 порядка превышающая их подвижность в кремнии, и "баллистический" характер их движения вдоль пленки. Длина свободного пробега электронов проводимости и дырок в графене при комнатных температурах превышает 1 мкм.

Воздействие различных электромагнитных излучений и температуры приводит к появлению «графеновых» волн, которые можно наблюдать через микроскоп с сильным увеличением. Соприкасаясь со слоями кремния, графен отдаёт электроны, что вызывает электрический ток. Основное свойство графена, которое позволяет его использовать для генерации электрического тока, - это повышенные колебания его атомов. Сейчас в научном мире считается доказанным, что графен не может существовать в 2D-плоскости, а только в 3D-плоскости. Группа ученых из University of Arkansas провела исследование графена, нанесённого на пластину меди. Они наблюдали за изменениями положения атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Было сделано очень значимое открытие — в графене возникала волна, подобно волнам на поверхности моря, возникающая из-за комбинации небольших спонтанных движений и приводящая к появлению более крупных спонтанных движений. Тепловое смещение (броуновское движение атомов) одного атома, суммируясь с тепловыми смещениями других атомов, вызывает появление поверхностных волн с горизонтальной поляризацией, известных в акустике как волны Лява. Из-за особенностей кристаллической решётки графена его атомы колеблются как бы в тандеме, что отличает подобные движения от спонтанных движений молекул в жидкостях.

В интервью журналу Research Frontiers профессор Тибадо (University of Arkansas) констатировал: «Это ключ к использованию движения 2D-материалов в качестве источника неиссякаемой энергии. Тандемные вибрации вызывают рябь в листе графена, что позволяет извлечь энергию из окружающего пространства, используя новейшие нанотехнологии».

Проведённые Neutrino Energy Group эксперименты, результаты которых в дальнейшем были независимо подтверждены профессором ETH (Eidgenössische Technische Hochschule, Zürich) Ванессой Вуд и её коллегами, показали, что когда материалы производятся с размерами менее 10–20 нанометров, то есть в 5000 раз тоньше человеческого волоса, колебания внешних атомных слоев на поверхности наночастиц велики и играют важную роль в том, как этот материал ведет себя. Эти атомные вибрации, или «фононы», ответственны за то, как электрический заряд и тепло переносятся в материалах. Учитывая, что если колебания атомов графена, к примеру, в 100 раз сильнее колебаний атомов кремния, то наложение частоты внешнего воздействия электромагнитных излучений, включая воздействие нейтрино, на внутреннюю частоту колебаний графеновых волн усиливает такие колебания и приводит к резонансу атомных колебаний. Атомные колебания в резонансе позволяют усилить отдачу электронов при контакте с легированным кремнием.

Следует отдельно остановиться на воздействии нейтрино. Следует отдельно остановиться на воздействии нейтрино. В 2015 году была присуждена Нобелевская премия по физике Такааки Кадзите (Takaaki Kajita) и Артуру Макдональду (Arthur B. McDonald) — руководителям двух экспериментальных групп, Super-Kamiokande и SNO, изучающих свойства нейтрино. Их работы убедительно доказали, что нейтрино, которых известно три сорта, способны осциллировать — самопроизвольно превращаться на лету друг в друга. Рождаться в реакциях с элементарными частицами могут нейтрино определенного сорта, а распространяться в пространстве могут нейтрино определенной массы. Именно доказательство наличия массы, а значит и энергии, является ключевым аргументом теоретической возможности конвертировать энергию нейтрино в электрический ток.

До последнего времени считалось, что нейтрино не взаимодействует с веществом, и космические нейтрино прошивают Землю насквозь, не встречая никаких преград. Но последние публикации коллаборации COHERENT в Ок-Риджской национальной лаборатории (США) позволяют завершить целостность картины. В её работах объединились 80 человек из 19 институтов четырёх стран, в том числе и из России (ИТЭФ имени А.И. Алиханова (НЦ «Курчатовский институт»), Университет МИФИ и МФТИ). Первые эксперименты в 2017 году, результаты которых были опубликованы в журнале Science, были направлены на изучение взаимодействия нейтрино с ядрами цезия и йода. Поскольку нейтрино электрически нейтральны и очень слабо взаимодействуют с веществом, для наблюдения этого взаимодействия потребовалось развить детекторные технологии. Из-за того, что ядра цезия и йода довольно большие и тяжёлые, а нейтрино электрически нейтральны и очень слабо взаимодействуют с веществом, отдача ядер от взаимодействия с нейтрино была крайне слабая и полученные результаты не позволили сделать окончательный вывод. Поэтому исследователи провели эксперименты взаимодействия нейтрино с ядрами аргона, которые легче ядер цезия и йода. Было обнаружено, что нейтрино низкой энергии участвуют в слабом взаимодействии с ядрами аргона. Этот процесс получил название когерентное упругое нейтрино-ядерное рассеяние (CEvNS). Нейтрино подобно теннисному шарику, налетающему на шар для боулинга, "ударяется" о большое и тяжёлое ядро атома и передаёт ему крошечное количество энергии. В результате ядро почти незаметно отскакивает, т.е. нейтрино низких энергий участвуют в слабых взаимодействиях с ядрами веществ. Поскольку графен – это углерод, атомная масса которого легче атомной массы аргона, эффект взаимодействия нейтрино с ядрами углерода будем выражен сильнее, чем с аргоном, и приводит к увеличению амплитуды колебаний атомов графена (графеновых волн). Таким образом, можно утверждать, что энергию нейтрино, которые падают на 1 см2 земной поверхности с интенсивностью 60 млрд. частиц в секунду, можно преобразовать в электрический ток, и такое преобразование не должно зависеть ни от погодных условий, ни от сезона и быть стабильным днём и ночью.

 

Независимое тестирование Neutrinovoltaic технологии в Швейцарском технологическом институте показало, что тестовые испытания энергетической ячейки на глубине 30-35 метров под землёй в бетонном бункере и в клетке Фарадея, полностью исключили воздействие какого-либо излучения, кроме нейтрино, на процесс генерации постоянного тока. В указанных условиях только нейтрино могли взаимодействовать с испытываемым наноматериалом. Однако даже в таких условиях приборы фиксировали мощность 2.5-3.0 Вт, получаемую с металлической фольги размером А-4 с нанесённым на её одну сторону многослойным нанопокрытием, созданным Neutrino Energy Group.

Над возможностями получения постоянного тока от использования графена и нитрида бора работает также Массачусетский технологический институт, однако его достижения и заявленные цели значительно скромнее и находятся на начальном этапе. Хотя необходимо отметить, что MIT всё же на данном этапе пока только занимается изучением графена для получения постоянного тока. В настоящее время учёные этого института исследуют использование графена и нитрида бора для преобразования терагерцевых (или Т-лучи) волн (электромагнитные волны с частотой где-то между микроволнами и инфракрасным светом) в полезную энергию. Терагерцовые волны широко распространены в нашей повседневной жизни, и, если их использовать, их концентрированная энергия может потенциально служить альтернативным источником энергии. Учёные MIT обнаружили, что, комбинируя графен с нитридом бора, электроны в графене должны искажать свое движение в общем направлении. Любые входящие терагерцевые волны должны «переносить» электроны графена, как многие крошечные авиадиспетчеры, чтобы они могли течь через материал в одном направлении, как постоянный ток. Общий эффект заключается в том, что физики называют «косым рассеянием», когда облака электронов отклоняют свое движение в одном направлении. Аналогичный механизм действует и при чередовании слоёв графена и легированного кремния в наноматериале, созданном Neutrino Energy Group. Один из ведущих исследователей Лаборатории исследования материалов MIT Хироки Исобе констатирует, - «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».

Один слой графена способен генерировать очень слабый ток, задача же состояла в том, чтобы создать технологию, которая работала бы устойчиво, и создаваемые на её основе источники постоянного тока имели бы компактные размеры. В противном случае технология не могла найти коммерческое применение. Задача была решена изготовлением генерирующего наноматериала многослойным, таким образом, увеличив многократно выходной ток и напряжение.» Для достижения необходимого эффекта на подложку из металлической фольги наносится в несколько слоёв графен и легированный кремний и при прохождении излучений через эту комбинацию слоёв кремния и графена стартует гармонический резонансный процесс, который затем регистрируется электрическим преобразовательным устройством. Покрытая сторона металлического носителя представляет собой положительный полюс, а непокрытый - отрицательный.

Несколько листов фольги с нанесённым инновационным наноматериалом, размещенных друг над другом, как пачка писчей бумаги, а значит соединённых последовательно, составляют энергетическую ячейку. При варьировании соединением нескольких энергетических ячеек создаётся источник постоянного тока необходимых габаритных размеров и мощностных характеристик. Источник постоянного тока размером «с дипломат», имеет выходную мощность от 4,5 до 5,5 кВт /час. Такие компактные габаритные характеристики позволяют создавать автономные источники тока для электроснабжения в том числе отдельных домов и электромобилей.

NEUTRINOVOLTAIC

Технология получения электроэнергии

Telefon: +49 30 20924013

https://neutrino-energy.com