• Наука и техника, https://naukatehnika.com

Neutrinovoltaic – принцип электрогенерации под воздействием окружающих полей излучений

Развитие Neutrinovoltaic технологии стартовало в процессе экспериментов по оптимизации работы солнечных панелей: для опытных работ использовались наночастицы различных материалов с целью достичь максимально возможной активной физической поверхности для увеличения коэффициента полезного действия солнечных панелей, но подобные эксперименты не имели успеха. Было отмечено, что испытываемый материал проявлял признаки нестабильности, при этом возникали вибрации, которые не способствовали улучшению поверхности солнечных батарей. Эти вибрации, происхождение которых на тот момент было необъяснимым, заставили учёных продолжить работы по усилению вибраций, опираясь на предположение о том, что если в материале происходят вибрации, то их можно привести к резонансу атомных вибраций, а значит и к генерации электроэнергии.

Графен, нанесённый на металлическую фольгу
Графен, нанесённый на металлическую фольгу

Принцип действия Neutrinovoltaic технологии опирается на «способность» графена «собирать» энергию из окружающей среды, которую случайно обнаружили физики Университета Арканзаса (США). Оказалось, что графен (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), из-за особенностей кристаллической решётки не может существовать в 2D-плоскости, а только в 3D-плоскости.

Чтобы существовать отдельно друг от друга, графен должен вести себя как 3D-материал для обеспечения необходимой стабильности. «Лазейкой» является смещение подвижных атомов, что и придает графену свойства третьего измерения. Иными словами, графен никогда не был 100% плоским, он вибрировал на атомарном уровне так, чтобы его соединения не подвергались спонтанному распаду. Группа физиков Манчестерского университета под руководством Пола Тибадо доказала, что объяснение заключается в так называемых «полетах Леви» — шаблонах небольших случайных колебаний, сочетающихся с внезапными, резкими сдвигами. В атомном масштабе физики видели их впервые. Измеряя скорость и масштаб этих графеновых волн, Тибадо предположил, что их можно использовать для извлечения энергии из окружающей среды.

Эта задача была успешно решена учёными научно-технологической компании Neutrino Energy Group под руководством математика Holger Thorsten Schubart. Необходимо отметить, что все характеристики созданного компанией инновационного многослойного наноматериала, состоящего из чередующихся слоёв графена и легированного кремния, были получены экспериментальным путем уже несколько лет назад, и только в последние годы в открытых источниках появились отдельные теоретические подтверждения фундаментальных основ, доказывающих функциональность модели, предлагаемой компанией Neutrino Energy Group.

Так, например, в журнале Nature профессор ETH (Eidgenössische Technische Hochschule, Zürich) Ванесса Вуд и ее коллеги объясняют, какие процессы вызывают атомные колебания, когда материалы имеют наноразмер, и как эти знания могут быть использованы для систематической разработки наноматериалов для различных видов применения. В публикации показано, 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. Все материалы состоят из атомов, которые вибрируют. Эти атомные вибрации, или «фононы», ответственны за то, как электрический заряд и тепло переносятся в материалах.

Ученые из Венского университета, the Advanced Institute of Science and Technology (AIST) в Японии, компании JEOL и Университета La Sapienza в Риме разработали методику, которая может измерять все фононы, присутствующие в наноструктурированном материале. Таким образом, они впервые смогли установить все колебательные режимы автономного графена, а также локальное расширение различных колебательных режимов в нановолокне графена. Этот новый метод, который они назвали «картированием больших q», открывает совершенно новые возможности для установления пространственного и импульсного расширения фононов во всех наноструктурированных, а также двумерных современных материалах. Эти эксперименты открывают новые возможности для изучения локальных режимов колебаний в нанометровом масштабе вплоть до конкретных монослоев.

Группе ученых из MIT (Massachusetts Institute of Technology) удалось превратить графен в сверхпроводник, по которому электричество передается без сопротивления. Открытие того факта, что графен способен к сверхпроводимости, в ближайшем будущем положит начало целому ряду исследований в этой области. Поскольку графен является ключевым элементом в составе материала, изобретенного компанией Neutrino Energy Group, его свойство сверхпроводимости сыграет одну из ключевых ролей в особенности для питания электроприборов, где требуется малый и стабильный источник электропитания.

Holger Thorsten Schubart, президент научно-технологической компании Neutrino Energy Group
Holger Thorsten Schubart, президент научно-технологической компании Neutrino Energy Group

Компания Neutrino Energy Group продвинулась намного дальше вперёд, чем другие группы исследователей относительно прикладного применения знаний в этой области и закрепила свой бесспорный приоритет, получив международный патент под номером WO2016142056A1. В основе Neutrinovoltaic технологии лежит использование сверхтонких слоев графена для создания резонанса колебаний атомов графена под воздействием теплового броуновского движения и окружающих полей излучений искусственного и естественного происхождения, включая космические нейтрино, и преобразования кинетической энергии частиц окружающих полей излучений в электрический ток. 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 обусловлена 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.

Графеновые волны
«Графеновые волны»

Для достижения необходимого эффекта на подложку из металлической фольги наносится в несколько слоёв графен и легированный кремний, а при прохождении излучений через эту комбинацию слоёв кремния и графена стартует гармонический резонансный процесс. Оптимальный состав такого материала предполагает наличие 12 чередующихся слоёв графен-кремний при общем их соотношении 75/25%. Наложение частоты внешнего воздействия частиц окружающих полей излучений, включая воздействие нейтрино, на внутреннюю частоту колебаний графеновых волн, вызванных тепловым броуновским движением атомов графена, усиливает такие колебания и приводит к возникновению резонанса. Атомные колебания в резонансе усиливают отдачу электронов при контакте с легированным кремнием. Использование графена практически без примесей и применение легирования «заставляет» электроны графена течь в одном направлении, то есть возникает электрический ток. Общий эффект заключается в том, что физики называют «косым рассеянием», когда облака электронов отклоняют свое движение в одном направлении.

Нанесение многослойного покрытия на одну сторону фольги приводит к появлению разных полюсов: сторона с покрытием имеет положительный полюс, а сторона без покрытия – отрицательный, что позволяет размещать их друг над другом и спрессовывать для получения надёжного последовательного соединения пластин. Одна пластина размером 200х300 мм создаёт напряжение 1.5 В и силу тока 2 А. На основе Neutrinovoltaic технологии компании Neutrino Energy Group удалось создать бестопливный генератор (БТГ) так называемой «свободной энергии» без вращающихся деталей.

Лицензионный промышленный выпуск генераторов свободной энергии Neutrino Power Cube нетто-мощностью 5-10 кВт начнется в Швейцарии в конце 2023 – начале 2024 года. Он будет выпускаться в виде электротехнического щитка (шкафа), который условно будет делиться на 2 отдела: электрогенерирующее отделение, где размещаются электрогенерирующие модули, и отделение для установки системы управления. Генерирующее отделение имеет размер 800х400х600 мм и вес около 50 кг. В отделении системы управления будут размещаться инверторы для преобразования генерируемого постоянного тока в переменный с напряжением 220 В и 380 В, также присутствует разъём постоянного тока для прямого подключения компьютеров и различных приборов и гаджетов.

Прикладное применение технологии обещает быть многофункциональным, что несомненно сделает её востребованной в ближайшие годы, учитывая процессы трансформации современного энергетического сектора.

Автор: Румянцев Л.К., к.т.н.

Читать оригинал

Favorite Posts
Последние публикации
Архив
Метки