top of page
  • Наука и техника, https://naukatehnika.com

Графен способен полностью компенсировать возрастающий спрос на электроэнергию

Многослойная наноплёнка из чередующихся слоёв графена и легированного кремния, наносимых послойно на металлическую фольгу, позволила создать новый вид альтернативной энергетики. Процесс электрогенерации подчиняется законам физики, а сама технология получила название Neutrinovoltaic. Такое название обусловлено участием в этом процессе не только окружающих полей излучений невидимого спектра и температуры окружающей среды, в которой находятся электрогенерирующие пластины, но и влияние воздействия нейтрино на ядра атома графена, заключающегося в передаче частично или полностью кинетической энергии нейтральных частиц нейтрино ядрам атомов графена. Свойства нейтрино широко исследуются во многих странах не только с чисто научной точки зрения, но и в плане практического применения. Пожалуй, впервые учёные научно-технологической компании Neutrino Energy Group определили практическую роль нейтрино, имеющих массу, в процессе генерации электроэнергии: усиление гармонических колебаний атомов графена, т.е. частоты и амплитуды их колебаний, которые проявляются в возникновении «графеновых» волн, которые наблюдаются в микроскоп с большим разрешением. В ознаменование данного открытия технология и получила название Neutrinovoltaic.

«Графеновые» волны
«Графеновые» волны

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. 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.

Механизм получения электрического тока основан на процессе воздействия окружающих полей излучений невидимого спектра и температуры на колебания атомов графена. Графен, в качестве одного из материалов, был выбран не случайно, т.к. он имеет гексагональную (шестиугольную) кристаллическую решётку. Графен – это одноатомный слой углерода и относится к 2D материалам, однако сильные колебания атомов графена (в 100 раз выше, чем, например, в кремнии) в результате такого строения кристаллической решётки приводят к появлению так называемых «графеновых волн» или «ряби», т.е. когда соседние области чередуются между вогнутой и выпуклой кривизной. Чем сильнее воздействие окружающих полей излучений невидимого спектра и температуры, 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 вне плоскостные флуктуации. 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.

Как и в выпускаемых в настоящее время электрогенераторах и разработанных бестопливных генераторах типа схемы Бедини, возникновение электродвижущей силы (ЭДС) происходит 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, которых в наноматериале может быть от 12 до максимум 20 слоёв, 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. В настоящее время с пластины 200х300 мм удаётся получить напряжение 1.5 В и силу тока 2 А. Электрогенерирующий блок брутто-мощностью 7 кВт, состоящий из таких пластин, имеет размер 800х400х600 мм.

Компактность Neutrinovoltaic бестопливных генераторов, отсутствие вращающихся деталей, эксплуатационных затрат, стабильная генерация электроэнергии 24 часа в сутки вне зависимости от погодных условий и времени суток - все эти особенности представляют собой серьёзные конкурентные преимущества. Первым промышленный выпуск Neutrino Power Cubes бестопливных генераторов начнёт завод в Швейцарии, который практически закончил техническую реконструкцию для начала работы. Консорциум инвесторов принял решение о строительстве в Корее гига-фабрики по выпуску Neutrino Power Cubes, запуск производственных мощностей планируется в конце 2024 года с целью достигнуть ежегодного выпуска генераторов к 2029 году общей мощностью 30 ГВт. Кроме того, технология является универсальной для решения других критически важных задач, связанных с электроснабжением, например, в Индии компания Neutrino Energy Group совместно с индийскими партнёрами строит конструкторско-технологический центр, в котором будет испытываться Pi электромобиль с электрогенерирующим корпусом, созданным из метаматериалов. Электромобиль планируется создать в течение 3 лет. Задача Центра - имплементация научных достижений в промышленные разработки.

Любая энергетическая технология в практическом применении может быть конкурентоспособной, если будет привлекательна по цене для потребителя и позволит снизить затраты на энергообеспечение. Что касается технологии Neutrinovoltaic, выбор недорогих и широко распространённых материалов позволяет разработчикам быть уверенными в высокой востребованности технологии и оптимистично смотреть в будущее.

Автор: Румянцев Л.К., к.т.н.

Comments


Favorite Posts
Последние публикации
Метки
bottom of page