- https://naukatehnika.com
Графеновая энергетика – прорывная технология и перспективы развития
Очередной этап научно-технологической революции в мире совпал со значительным ростом населения Земли, которое на 15 января 2024 года составило 8,85 миллиарда человек. По прогнозам экспертов, численность населения продолжит увеличиваться. С ростом благосостояния населения наиболее густонаселенных развивающихся стран и кратным увеличением спроса на полезные ископаемые с ограниченными запасами, обеспечение энергетическими ресурсами экономики и населения станет одной из главных задач будущих поколений.
Принимая во внимание растущий спрос на электроэнергию, развитие новых бестопливных электрогенерирующих технологий является залогом роста благосостояния людей и перевода экономики на новые электрогенерирующие технологии. Многолетний опыт эксплуатации солнечных панелей и ветрогенераторов выявил недостатки этих технологий, связанные не только с критической зависимостью от погодных условий, но и с надежностью работы оборудования, что приводит к значительным потерям прибыли и нежеланию, в частности, крупных энергетических холдингов, таких как Shell, инвестировать в "зеленую" энергетику.
В последние годы было проведено множество научно-исследовательских работ, целью которых было изучение возможности материалов преобразовывать энергию полей излучений невидимого спектра в электрический ток. Особое внимание ученых было обращено на изучение двумерных материалов, обладающих удивительным потенциалом.
Стоит отметить, что эти исследования начались с работ Андрея Гейма и Константина Новоселова, которые в 2004 году получили двумерный материал графен. Они проводили эксперименты с тонким слоем графена и обнаружили, что его свойства радикально отличаются от свойств трехмерного материала графита. Появление графена открыло совершенно новую категорию материалов. Это открытие изменило физику твердого тела. В 2010 году Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике за свои работы.
Тысячи исследователей также начали работать над графеном, мечтая о разнообразных технологиях, которые он мог бы обеспечить. В процессе проведенных исследований было выявлено одно из важных свойств графена - способность преобразовывать энергию частиц полей излучений невидимого спектра в электрический ток за счёт проявления такого уникального свойства, как возникновение "графеновой волны".
«Если бы микроколебания атомов графена не вызывали возникновение явления "графеновой волны", то было бы невозможно преобразовать энергию волн материи в электрический ток», - отмечает Holger Thorsten Schubart, президент компании Neutrino Energy Group.
Именно динамическое поведение графена совершает работу, которая необходима для генерирования электрического тока за счёт взаимодействия электрических и магнитных полей», - добавляет он.
Почему только графен проявляет эти свойства, которые называют «графеновой волной», и почему не наблюдаются аналогичные явления у других двумерных материалов? Графен (углерод) имеет порядковый номер 6 в периодической системе элементов и атомный вес 12,011, т.е. является одним из самых лёгких химических элементов. Это говорит о том, что эффект воздействия частиц полей излучений на атомы графена будет выражен более сильно.
Но поиск новых материалов, которые могли бы потенциально быть более эффективными для преобразования энергии полей излучений, продолжается. Например, инструмент ИИ глубокого обучения Deepmind Graph Networks for Materials Exploration (GNoME) открыл "52 000 новых слоистых соединений, подобных графену", - сообщает команда Deepmind.
Следует отметить, что очень ограниченное число исследовательских центров и компаний занимаются прикладным исследованием графена для нужд электрогенерации. Среди них наиболее эффективных результатов достигла компания Neutrino Energy Group.
Выбор графена ученые компании объясняют его уникальными свойствами, относительной дешевизной и доступностью на рынке, причем цены на графен падают. 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, что создает избыток электронов в графене.
Материал, который создан учеными Neutrino Energy Group для преобразования энергии частиц полей излучений невидимого спектра в электрический ток, представляет собой полупроводниковый сэндвич из чередующихся слоев графена и легированного кремния. Объемная доля графена в нем составляет от 50 до 75%.
Технология графеновой электрогенерации получила название Neutrinovoltaic, что подчеркивает влияние нейтрино на амплитуду и частоту колебаний "графеновых волн", а значит и на генерируемую мощность.
С одной стороны, разработчики Neutrinovoltaic технологии подчеркивают тот факт, что на генерацию электрического тока влияет не только поток нейтрино, имеющих массу, что может изначально показаться исходя из названия технологии, но также и другие энергетические поля и тепловое броуновское движение атомов графена. С другой стороны, результаты замера мощности электрогенерации в горах Швейцарских Альп в бетонном бункере на глубине 60 м под землей электрогенерирующей пластины, помещенной в клетку Фарадея, показали относительншо небольшое падение мощности (порядка 20%) по сравнению с измерениями в помещении при тех же самых температурных условиях. Это говорит о том, что генерация в клетке Фарадея определяется тепловым (броуновским) движением атомов графена и нейтринных полей. Не исключено, что существует ещё какой-то другой механизм, приводящий к генерации энергии.
Для понимания теоретической модели процессов графеновой электрогенерации и изучения влияния нейтрино на данный процесс компания заключила договора на научные исследования с рядом передовых научных центров, изучающих нейтрино. Так, создана собственная лаборатория на базе Европейского Центра ядерных исследований (CERN), заключены договора на проведение научных работ с Технологическим институтом Карлсруэ и МГТУ им. Баумана.
Научный мир стоит в самом начале исследований нейтрино. Еще недавно считалось, что нейтрино не имеет массы, а сейчас уже никто не отрицает наличие массы у нейтрино и эффекта взаимодействия (упругого рассеяния) нейтрино с ядром атомов веществ. Считается, что нейтрино является нейтральной частицей без заряда, но, например, группа ученых физического факультета МГУ под руководством профессора А.И. Студеникина с 1992 года занимается вопросами электромагнитных свойств нейтрино, считая, что наличие массы указывает на наличие ненулевых электромагнитных свойств нейтрино.
А.И. Студеникин считает, что электромагнитные свойства массивных нейтрино могут появиться как в процессах нейтринных осцилляций во внешних полях, так и в процессах взаимодействия нейтрино с веществом. В то же время ученый указывает, что до настоящего времени не получено однозначных результатов на ненулевые электромагнитные характеристики нейтрино из данных лабораторных экспериментов с потоками нейтрино от наземных источников и астрофизических наблюдений. Однако, из-за наличия у нейтрино зарядового радиуса, можно ожидать уже в ближайшее время первого наблюдения участия нейтрино в электромагнитном взаимодействии.
Но если будет доказано существование электромагнитной характеристики нейтрино, то будет измерен и магнитный момент. А.И. Студеникин указывает, что помимо возможных нейтринных электромагнитных свойств, ведется поиск электрического миллизаряда, дипольного электрического момента и анапольного момента нейтрино. В своих работах профессор А.И. Студеникин пишет, что «на сегодняшний день одним из наиболее разработанных инструментов поиска электромагнитных свойств нейтрино являются измерения упругого рассеяния нейтрино на электронах и ядрах».
"Проведение научных исследований и создание теоретической модели процессов, происходящих в графеновых пленках, является одной из наших важных задач. Мы ожидаем, что полученные результаты научных исследований, а также применение искусственного интеллекта (ИИ), позволят нам найти оптимальные варианты для развития графеновой электрогенерации", - отмечает Holger Thorsten Schubart.
Данный этап проведения работ, связанный с графеновой электрогенерацией, опирается на большую массу экспериментальных данных, что позволило компании Neutrino Energy Group приступить к промышленному внедрению Neutrinovoltaic технологии в области бестопливной распределенной электрогенерации, и к адаптации и имплементации технологии для электромобильности.
