NEUTRINOVOLTAIC
Бестопливная графеновая технология электрогенерации
Neutrinovoltaic технология
Это технология преобразования теплового (броуновского) движения атомов графена и энергии окружающих полей излучений невидимого спектра, включая нейтрино, в электрический ток при помощи многослойного наноматериала на основе графена.
Заявка на патент подана в 2013 году, изобретение защищено международным патентом WO2016142056A1.
Структурно наноматериал состоит из чередующихся слоев графена и кремния, с послойным нанесением легирующих элементов. Каждый слой графена расположен между двумя слоями кремния (рис. 1). Первый слой графена нанесен на металлическую фольгу, обычно алюминиевую. Количество слоев графен-кремний варьируется от 12 до 20, оптимальный вариант – 12 слоев.
Наноматериал наносится на одну сторону металлической фольги, в результате чего сторона с нанесенным материалом становится положительным полюсом, а сторона без покрытия – отрицательным. Такая электрогенерирующая пластина размером 200 х 300 мм при нормальных условиях имеет напряжение 1,5 В и силу тока 2 А.
Рис.1. Схематичное изображение наноматериала
Механизм, позволяющий преобразовывать энергию окружающих полей излучений в электрический ток
Графен – единственный известный в настоящее время материал, который относится к 2D материалам, но может устойчиво существовать только в трёхмерной системе координат, как 3D материал. Наблюдение слоя графена через микроскоп с большим разрешением показывает наличие вибраций, похожих на волны на поверхности моря (рис.2), т.е. когда соседние области чередуются между вогнутой и выпуклой кривизной. Чем сильнее воздействие энергетических и тепловых полей, тем сильнее колебания атомов графена, а значит частота и амплитуда колебаний «графеновых волн». Теоретические исследования дают объяснение, что источником этого процесса является электрон-фононная связь, поскольку она подавляет жесткость длинноволнового изгиба и усиливает внеплоскостные флуктуации.
Рис.2. Схематичное изображение вибрации графена в виде «графеновых волн»
Именно наличие «графеновых волн» позволяет генерировать электрический ток, причём амплитуда и частота колебаний «графеновых волн» зависит от качества нанесения графена. Они максимальны при одном слое графена, если же нарушается технология нанесения графена и наносится несколько его слоёв друг на друга, то амплитуда и частота колебаний «графеновой волны» уменьшается. Объяснение этих результатов экспериментов были независимо подтверждены профессором ETH (Eidgenössische Technische Hochschule, Цюрих) Ванессой Вуд и ее коллегами, которые показали, что при производстве материалов размером менее 10-20 нанометров, т.е. в 5000 раз тоньше человеческого волоса колебания внешних атомных слоев на поверхности наночастиц велики и играют важную роль в поведении этого материала. Эти атомные вибрации, или «фононы», ответственны за то, как электрический заряд и тепло передаются в материалах (рис.3).
Рис.3. Колебания атомов в материалах, "фононы", ответственны за то, как электрический заряд и тепло переносятся в материалах.
(Графика: Дениз Бозигит / ETH Zurich).
Поэтому соблюдение технологии нанесения графена является ключевой технологической задачей особенно на пластинах больше 100х100 мм. Графен имеет чрезвычайно высокую плотность электрического тока (в миллион раз больше, чем у меди) и рекордную подвижность носителей зарядов. В графене каждый атом связан с 3 другими атомами углерода в двухмерной плоскости, при этом один электрон остается свободно доступным в третьем измерении для электронной проводимости. 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». Графеновые пленки удивительно прочны и эластичны. Графен обладает очень высокой теплопроводностью, что в сочетании с его высокой электропроводностью позволяет пропускать электрический ток в миллион раз превышающий максимально возможный ток в медных пленках. При повышенных температурах, согласно распределению Ферми – Дирака, часть электронов переходит в зону проводимости, а в валентной зоне остаются «дырки». Это предопределяет достаточно высокую электропроводность графена при комнатных температурах. Электроны проводимости и «дырки» в графене имеют нулевую эффективную массу, т.е. они не могут быть стационарными, а все время движутся со «скоростью Ферми», которая в графене составляет около 106 м/с, то есть она уже релятивистская. Это обусловливает очень высокую подвижность носителей заряда в графене, по крайней мере на два порядка превышающую их подвижность в кремнии, и «баллистический» характер их движения по пленке. Длина свободного пробега электронов проводимости и дырок в графене при комнатных температурах превышает 1 мкм. Гармонические колебания «графеновых волн», переходящие в резонанс, по сути – это совершаемая работа, необходимая для преобразования теплового (броуновского) движения атомов графена и энергии частиц окружающих полей излучений невидимого спектра, включая кинетическую энергию нейтральных частиц нейтрино, в электрический ток. Как и в выпускаемых в настоящее время электрогенераторах, устанавливаемых на электростанциях, разработанных схем электрогенерации Бедини и других схем магнитных двигателях бестопливной электрогенерации, возникновение электродвижущей силы (ЭДС) происходит в каждом слое графена по причине взаимодействия магнитных и электрических полей. Однако, кардинальное отличие заключается в том, что в Neutrinovoltaic технологии пульсирующий механизм взаимодействия возникает не в результате вращения ротора с магнитной катушкой, а в процессе микровибраций графена в наноматериале, что является другим физическим принципом возникновения ЭДС. Возникающая в каждом слое графена ЭДС, заставляет течь электроны в одном направлении, т.е. возникает электрический ток. Движение электронов в одном направлении достигается путём нанесения пленочных покрытий каждого слоя легирующими элементами, создающими p-n переход, пропускающий электрический ток только в одном направлении, т.е. возникает эффект тонкоплёночного диода. Многослойность наноматериала обеспечивает решение задачи по получению максимально возможной электрической мощности с единицы поверхности, так как один слой графена не может обеспечить достаточную мощность для промышленного применения.
Влияние нейтрино на процесс колебаний «графеновой волны»
В 2019 году была опубликована информация, что ученым Технологического института Карлсруэ (KIT) удалось определить массу нейтрино с беспрецедентной точностью. Согласно KIT, нейтрино по крайней мере в 500 000 раз легче электрона; масса частиц составляет около 1,1 электрон-вольт.Механизм же взаимодействия нейтрино с веществом был раскрыт и описан в публикациях коллаборации COHERENT в Ок-Риджской национальной лаборатории (США). Было доказано, 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 (рис.4).
Рис.4. Упрощенная схема когерентного упругого рассеяния нейтрино на тяжелых ядрах. D. Akimov et. al. / Science
Аналогичное взаимодействие нейтрино низких энергий имеет место и при взаимодействии с графеном. Аргон имеет порядковый номер 18 в периодической системе химических элементов и атомный вес 39,948, тогда как графен (углерод) имеет порядковый номер 6 и атомный вес 12,011. Это говорит о том, что эффект ударов нейтрино об ядра атомов графена будет выражен более сильно, чем об ядра аргона. Причём, чем больше кинетическая энергия нейтрино, тем больше будет эффект взаимодействия их с ядрами графена, а значит сильнее колебания его атомов. Размер ядра атома графена очень маленькое по сравнению с размером самого атома графена, поэтому лишь незначительная доля нейтрино, имеющих массу, может взаимодействовать с ядром атома графена и вызывать его колебания. Как известно, поток нейтрино через 1 см2 земной поверхности в 1 секунду составляет 60 млрд, поэтому даже доля процента такого потока нейтрино вносит свой вклад в процесс колебаний «графеновых волн», хотя в настоящее время нет возможности оценить вклад воздействия нейтрино на процесс колебаний атомов графена по сравнению с другими энергетическими полями и тепловым (броуновским) движением. Тем не менее, по мнению учёных компании Neutrino Energy Group, этот процесс очень важен, и поэтому технология получила название Neutrinovoltaic.
Проект бестопливной технологии электрогенерации Neutrinovoltaic подошел в своем развитии к важнейшей черте, в настоящее времяпроходят ресурсные испытания 150 шт. бестопливных генераторов Neutrino Power Cubes нетто-мощностью 5-6 кВт, установленных в домах жителей Австрии, подавших заявки на участие в эксперименте. Neutrino Power Cube предназначен для автономной работы, а не для параллельной работы с сетью. После анализа результатов ресурсных испытаний будет принято решение о начале промышленного производства либо внесение корректирующих изменений и дополнений в конструкцию.
После доклада президента компании Neutrino Energy Group Holger Thorsten Schubart на секции энергетика и технологии в рамках саммита G20, состоявшегося 9-10 сентября 2023 года в Нью-Дели, работы по созданию бестопливной электрогенерации на базе Neutrinovoltaic технологии, получили дополнительный и очень важный импульс. Компания Neutrino Energy Group была приглашена в программу инноваций и технологий в рамках Программы городов ООН по достижению Целей устойчивого развития (ЦУР) - Глобальной инициативы. Программа городов для достижения ЦУР предоставляет Neutrino Energy Group возможность внести свои знания и технологии в Программу городов для достижения Целей устойчивого развития ООН (ЦУР). В презентации UNASDG говорится, что эта технология найдет правильное применение в программе ЦУР, которая была определена ООН и принята 193 государствами. Отмечается, что Neutrinovoltaic технология может стать ведущей моделью реального устойчивого развития для будущего нашего мира. Также подчеркиваются значительные перспективы Neutrinovoltaic для всего мира - это важный шаг на пути защиты нашей окружающей среды и благо для человечества.