top of page

Neutrinovoltaic технология

Это технология преобразования энергии частиц окружающих полей излучений невидимого спектра, включая нейтрино, в электрический ток при помощи многослойного наноматериала на основе графена. 

Принцип работы Neutrinovoltaic технологии не сводится к «улавливанию» нейтрино в прямом смысле. Ключевой механизм — преобразование энергии частиц невидимого спектра излучений (включая нейтрино) в электрический ток через возбуждение колебаний (графеновые волны) атомов графена.

​

В ряде статей, опубликованных как в России, так и в мировых средствах массовой информации, приводился перечень излучений невидимого спектра, влияющих на генерируюмую мощность, а именно:

​

  • Солнечные и атмосферные нейтрино. Нейтрино рождаются в термоядерных реакциях на Солнце, атмосферных процессах, таких как распад пионов и мюонов, а также в сверхновых и других космических объектах. У поверхности Земли плотность потока солнечных нейтрино составляет около 6.5·10^10 нейтрино/см^2. В эксперименте COHERENT-2017 было подтверждено, что нейтрино упруго рассеиваются на ядрах, передавая им импульс с энергией E_r ≈ эВ-кэВ, которая зависит от массы ядра и энергии нейтрино. Вероятность детектировани одного нейтрино крайне мала (σ_ν​ ⁓ 10^{-44} см^2, поэтому одиночные события нерегистрируемы. Однако, несмотря на низкую энергию одного взаимодействия, суммарный эффект благодаря огромному потоку значителен.

  • Космические мюоны. Мюоны образуются в верхних слоях атмосферы в результате столкновений космических лучей с ядрами атомов. На уровне моря их плотность составляет примерно 1 мюон/(см^2·мин). Это означает, что через 1 см^2 площади проходит около 1 мюона. Через тело человека (площадью ⁓2 м^2 = 2·10^4 см^2) за минуту проходит ⁓ 2·10^4 см^2 мюонов, т. е. около 330 мюонов/сек. Мюоны теряют энергию в процессе ионизации вещества, создавая вторичные электроны и фононы, которые могут генерировать электрический ток. Стабильность потока: в отличие от солнечного излучения, интенсивность потока мюонов слабо изменяется со временем.

  • Окружающие электромагнитные поля. Электромагнитные поля могут быть как естественными (ионосферные резонансы, атмосферные разряды), так и техногенными (электронные устройства, сети передачи энергии). Частота колебаний варьируется от кГц (атмосферные шумы) до ГГц (радиоволны). В наноматериалах, таких как графен и легированный кремний, переменные поля индуцируют токи смещения и вихревые токи, которые можно использовать с помощью резонансных структур.

  • Тепловые колебания кристаллической решетки. При температурах выше абсолютного нуля атомы в кристаллической решетке совершают колебания, амплитуда которых зависит от температуры и силы межатомных связей. Энергия фононов: в типичных материалах при комнатной температуре энергия фононов составляет около 25 мэВ. В гетероструктурах, таких как графен/кремний, тепловые фононы вызывают различные электрические эффекты, включая пьезоэлектрический, трибоэлектрический, флексоэлектрический и термоэлектрический, что дополняет другие методы генерации энергии.

 

Neutrinovoltaic технология не зависит только от воздействия нейтрино на многослойный материал, состоящий из чередующихся слоёв графена и легированного кремния. Ни одно отдельное взаимодействие в технологии Neutrinovoltaic электрогенерации не играет решающей роли. Работа системы основана на параллельном суммировании множества независимых событий. Миллиарды слабых взаимодействий складываются в макроскопический и измеримый электрический ток. Это принцип, аналогичный тому, что используется в полупроводниковых устройствах, обеспечивая их стабильную работу, несмотря на микроскопический шум. Только кумулятивный результат миллиардов событий формирует сигнал, превышающий порог обнаружения.

​

Neutrinovoltaic технология использует коллективное поведение частиц по тем же принципам, что и полупроводники, лазеры или термоэлектрические генераторы. Её работоспособность основана не на силе отдельных взаимодействий, а на статической предсказуемости массовых процессов. Это делает её жизнеспособной, несмотря на микроскопическую слабость каждого события.

Несмотря на сомнения научных оппонентов, учёные группы компаний Neutrino Energy совместно со сторонниками из Германии, Китая, Индии, Южной Кореи, России продолжают продвигать проект, который в настоящее время находится на стадии масштабного производства.

​

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.

​

Способность графена генерировать электрический ток под действием окружающих полей излучений искусственного и естественного излучения в широком диапазоне волн позволяет использовать его в энергетическом оборудовании для генерации электроэнергии. Лишний раз данную способность подтвердили результаты исследований графена под воздействием терагерцового излучения, проведёнными учёными из Национального университета Сингапура под руководством Бандурина Д.А. В опубликованной статье показано, что электроны Дирака, подвергающиеся воздействию непрерывного терагерцового (ТГц) излучения, могут быть термически отделены от кристаллической решётки, что активирует гидродинамический перенос электронов. В этом режиме сопротивление графеновых сужений уменьшается из-за сверхбаллистического потока коррелированных электронов, вызванного ТГц-излучением. Высказано предположение, что электроны в графене могут вести себя как единая жидкость, взаимодействуя и двигаясь коллективно, т.е. речь идёт о так называемом «вязком потоке электронов» в графене. Утверждается, что вязкость потока электронов в графене мгновенно снижается под воздействием терагерцового излучения, делая «жидкость из электронов» более текучей. Работы сингапурских учёных проводились с однослойным графеном, «легированным» дополнительными электронами для придания ему металлических свойств. Результат проводимых экспериментов — создание первого практического устройства, использующего вязкий поток электронов для детектирования ТГц-волн. 

​

​В отличие от коллег из Национального университета Сингапура исследования учёных компании Neutrino Energy Group направлены на создание применимой на практике технологии графеновой бестопливной электрогенерации. Первые эксперименты сразу показали - однослойный графен генерирует слишком маленькую мощность, что не позволяет говорить о промышленном внедрении технологии. Решение было найдено через создание многослойного наноматериала, состоящего из чередующихся слоёв графена и кремния с легирующими элементами, наносимых на одну сторону металлической фольги. Объемная доля графена в нём составляет от 50 до 75%.

​

Преимущества Neutrino Power Cube перед традиционными технологиями производства электроэнергии, включая солнечные и ветряные электростанции:

  • Графеновый источник электроэнергии не требует охраны и эксплуатационных расходов.

  • Габаритные размеры Neutrino Power Cube - 80x50x100 см.

  • Гарантийный срок – 20 лет.

  • Имеет разъёмы для подключения оборудования с переменным током - ~380/220/48/24 В (AC), и постоянного тока –48/24 В (DC).

  • Электрогенерация осуществляется в базовом режиме 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, 365 дней в году.

  • Бесшумная работа. Нет крутящихся деталей.

  • Автономная бестопливная электрогенерация, не требующая подключения к сетям общего назначения.

  • Размещается рядом с местом потребления нагрузки, что исключает потери в электросетях.

 

Постоянно проводимые активные исследования свойств графена, технологий его получения, а также исследования других двумерных материалов обещают появление новых значимых технологий, но графеновая технология Neutrinovoltaic является бесспорным лидером в практическом применении графена в области энергогенерации.

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.

bottom of page