- https://www.nanonewsnet.ru
Развитие энергетики будет связано с нанотехнологиями и новыми наноматериалами
В настоящее время многие научные исследования в той или иной мере связаны с возможностью преобразования падающего на Землю потока солнечных частиц для производства электроэнергии. Появление новых наноматериалов расширило перспективы развития данного направления.
Сегодня в серьёзных научных кругах ни у кого уже не вызывает сомнение тот факт, что материал графен способен генерировать электрический ток под воздействием различных электромагнитных излучений. Комбинируя графен с нитридом бора, учёные Массачусетского технологического института смогли получить постоянный электрический ток под воздействием терагерцевых волн. Терагерцевые волны широко распространены в нашей повседневной жизни и при их использовании, концентрированная энергия волн может потенциально служить альтернативным источником энергии. Учёные MIT также обнаружили, что чем сильнее энергия поступающего терагерца, тем больше энергии устройство может преобразовывать в постоянный ток. Исследователи разработали проект терагерцевого выпрямителя, состоящего из небольшого квадрата графена, который располагается на слое нитрида бора и находится внутри антенны. Он будет собирать и концентрировать окружающее терагерцевое излучение, усиливая его сигнал настолько, чтобы стало возможным преобразовать его в постоянный ток.
Однако, несмотря на весь авторитет Массачусетского технологического института в научном мире и финансовую поддержку государства, первенство в исследовании практического использования графена для целей электрогенерации следует признать за немецкой научно-технологической компанией Neutrino Deutschland GmbH, входящей в международную группу Neutrino Energy Group. Эта компания разработала технологию получения постоянного электрического тока путем нанесения многослойного нанопокрытия из чередующихся слоев графена и легированного кремния на металлическую фольгу (патент № EP3265850A1). Предполагается, что многослойное расположение чередующихся слоёв графена и легированного кремния приводит к тому, что силы между электронами графена «выбиваются» из равновесия. Общий эффект заключался в том, что физики называют «косым рассеянием», когда облака электронов отклоняют свое движение в одном направлении, что и называется постоянным электрическим током.
Благодаря такому многослойному материалу и повышенному колебательному движению атомов графена, эта чрезвычайно чуткая к излучениям конструкция энергетической ячейки способна преобразовывать не только воздействие терагерцевых волн, но и кинетическую энергию нейтрино и других частиц невидимого спектра излучения. Это позволяет получать постоянный электрический ток круглосуточно, в том числе в темноте, вне зависимости от места размещения энергетической ячейки. Кроме того, при отсутствии или слабом фоновом воздействии терагерцевых волн и других полей излучений, такая многослойная конструкция из слоёв графена и легированного кремния позволит получать постоянный ток только от воздействия космических частиц невидимого спектра излучения (нейтрино), что и подтвердили независимые испытания в клетке Фарадея в условиях исключения воздействия терагерцевых волн.
Компания Neutrino Energy Group опубликовала данные исследований Neutrinovoltaic технологии, которые показали, что в клетке Фарадея с пластины размером А-4 была получена выходная мощность 2.5-3.0 Вт. В таких условиях мощность зависела только от 2 воздействующих факторов: температуры и нейтрино. Испытания аналогичной пластины в лабораторных условиях, но без изоляции в клетке Фарадея, показали устойчивую мощность генерации 3.0 Вт, т.е. можно констатировать что различие генерируемой мощности небольшое или вообще отсутствует. Таким образом, эти данные дают основание предполагать, что температура и поток нейтрино являются ключевыми факторами, влияющими на генерируемую мощность электрического тока. Температурные испытания при -40 0C показали снижение мощности приблизительно на 25%. Это даёт основание предположить, что вклад потока космических нейтрино, составляющий 60 млрд. частиц в секунду через 1 см2 земной поверхности, в мощность электрогенерации наряду с температурой играет существенное значение.
Данный вывод имеет крайне важное значение, поскольку он подтверждает, что Neutrinovoltaic источники тока, набранные из таких электрогенерирующих пластин, будут гарантированно генерировать электроэнергию и вдали от источников искусственных полей излучений, как электросмога, вышек мобильной связи, терагерцевых волн и т.д.
Большинство учёных, ссылаясь на различные учебники, сразу начнут утверждать, что нейтрино «прошивает» Землю насквозь и не взаимодействует никоим образом с веществом. Но это знание о нейтрино однозначно устарело:
Во-первых, нейтрино имеет массу, а значит – энергию (E=mc2), сейчас это общепризнанный факт. В 2019 году была опубликована информация, что ученым Технологического института Карлсруэ (KIT) удалось определить массу нейтрино с беспрецедентной точностью.
Во-вторых, опубликованные результаты исследований, проведенных в ORNL's Spallation Neutron Source (SNS) и приведённые в журнале Science, представляют убедительные доказательства процесса взаимодействия нейтрино. Исследователи первыми обнаружили и проанализировали когерентное упругое рассеяние нейтрино на ядрах. Описание экспериментов подробно рассмотрено в статье «The world’s tiniest neutrino detector discovers a large physics fingerprint» (https://www.ornl.gov/news/worlds-smallest-neutrino-detector-finds-big-physics-fingerprint). Низкоэнергетические 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, т.е. нейтрино низких энергий участвуют в слабых взаимодействиях с ядрами веществ.
Нейтрино участвуют только в слабом взаимодействии. Из-за этого сечение рассеяния нейтрино очень мало и вероятность их детектирования ничтожна. Зарегистрировать нейтрино удается лишь тогда, когда под большой нейтринный поток подставляют огромный детектор. Однако, высокоэнергетические нейтрино регистрируются детекторами, а значит они взаимодействуют с веществами.
Holger Thorsten Schubart, Президент международного научно-исследовательского альянса Neutrino Energy Group утверждает: „Для нас важно, что нейтрино, «прошивая» сверхтвердое нанопокрытие, вызывают колебания атомов графена. Взаимодействие низкоэнергетических нейтрино с веществом мы считаем доказанным экспериментальными данными проекта COHERENT. Нейтрино большей энергии, включая высокоэнергетические и нейтрино сверхвысоких энергий, по нашему мнению, также вызывают увеличение колебаний атомов графена. Такое взаимодействие можно представить, как камень, кинутый в воду, вызывает волны на поверхности воды, хотя потеря энергии при пересечении нанопокрытия может оказаться небольшой. Однако, поток 60 млрд. частиц нейтрино в секунду через 1 см2 земной поверхности вызывает появление «графевовых» волн.»
Группа ученых из University of Arkansas провела исследование графена, нанесённого на пластину меди. Они наблюдали за изменениями положения атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа. При этом было сделано очень значимое открытие — в графене возникала волна, подобно волнам на поверхности моря, возникающая из-за комбинации небольших спонтанных движений и приводящая к появлению более крупных спонтанных движений. Смещение одного атома, суммируясь со смещениями других атомов, вызывает появление поверхностных волн с горизонтальной поляризацией, известных в акустике как «волны Лява». В связи с особенностями кристаллической решётки графена атомы его колеблются как бы в тандеме, что отличает подобные движения от спонтанных движений молекул в жидкостях.
Когда внутренняя частота колебаний атомов графена, вызванных температурным воздействием, совпадает с частой атомов графена, вызванных воздействием частиц нейтрино или частиц других полей излучений, имеющих массу, то возникает такое явление, как резонанс колебаний атомов графена, который в разы увеличивает отдачу электронов при контакте «графеновых» волн со слоями легированного кремния.
Чтобы направить электроны графена в одном направлении, должна быть нарушена внутренняя симметрия наноматериала, или то, что физики называют «инверсией». Обычно, графеновые электроны чувствуют равную силу между ними, а это означает, что любая поступающая энергия рассеивает электроны во всех направлениях, симметрично. Используя графен высокой чистоты в созданном наноматериале, а также добавляя легирующие элементы согласно патенту № EP3265850A1 учёным Neutrino Deutschland GmbH удалось сломать инверсию графена и вызвать асимметричный поток электронов в ответ на поступающую энергию.
Доказанное взаимодействие нейтрино с веществом позволяет по-новому взглянуть на колебания атомов в кристаллической решетке. В физике данные колебания связывают с температурой вещества кристалла и взаимовлиянием соседних атомов друг на друга – тепловые, упругие и пр. Новые знания о взаимодействии нейтрино с ядрами атомов дают серьёзные основания сделать предположение, что колебания атомов кристаллической решётки зависят не только от температуры, но и от воздействия нейтрино. В качестве достоверности приведённого предположения можно рассмотреть в качестве примера материалы графен и кремний. Известно, что в одинаковых условиях, в первую очередь температурных, колебания атомов графена в 100 раз больше колебаний атомов кремния. Графен (одноатомный слой графита ― природного минерала со слоистой структурой, состоящего из атомов углерода) с атомным номером 6 имеет атомную массу 12,0096 а.е.м., тогда как кремний (химический элемент 14-й группы) - атомную массу 28,0855 а. е. м. Согласно экспериментальным данным проекта COHERENT, чем легче атомная масса вещества, тем сильнее проявляется эффект воздействия на него низкоэнергетических нейтрино, а значит, тем сильнее колебания его атомов.
При анализе результатов взаимодействия нейтрино с веществом следует принимать во внимание выводы, сделанные в результате исследований, проведённых коллективом учёных ETH (Eidgenössische Technische Hochschule, Zürich) во главе с профессором Ванессой Вуд, опубликованными в статье «Atomic Vibrations in Nanomaterials». В публикации в журнале Nature профессор ETH Ванесса Вуд и ее коллеги объясняют, что происходит с атомными колебаниями, когда материалы имеют наноразмер, и как эти знания могут быть использованы для систематической разработки наноматериалов для различных применений. В публикации показано, что, когда материалы изготавливаются 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. Данный вывод можно интерпретировать таким образом - низкоэнергетические нейтрино взаимодействуют с наноматериалом в основном в верхних атомных слоях наночастиц.
Анализ результатов взаимодействия нейтрино с веществом, приведённый выше, коррелирует с данными по составу электрогенерирующего многослойного наноматериала, приведёнными в описании патента № EP3265850A1, где авторы патента указали, «Особенно выгодно, если покрытие представляет собой нанопокрытие, в котором графен и кремний присутствуют в виде наночастиц. В этом случае частицы кремния должны иметь размер от 5 нм до 500 нм, особенно предпочтительно 5 нм, а частицы графена должны иметь размер от 20 нм до 500 нм, особенно предпочтительно 20 нм, поскольку эффективность повышается при уменьшении размеров частиц. Преимущественно покрытие имеет чередующиеся слои кремния и графена, в частности от 10 до 20 слоев кремний-графен, в частности 12 слоев кремний-графен. 12 слоев особенно выгодны, потому что после 12 слоев напряжение снова уменьшается.»
Безусловно, анализ взаимодействия нейтрино с веществом требует дальнейших фундаментальных исследований и привлечения к таким работам специалистов-физиков, специализирующихся на исследовании нейтрино. В рамках прикладных работ, проводимых немецкой научно-технологической компанией Neutrino Deutschland GmbH и входящей в международную группу Neutrino Energy Group, фундаментальные научные исследования не являются целью и задачей, поскольку компания концентрируется на поиске чисто технологическую решения для создания нового типа электрогенерации без выбросов парниковых газов.
Я надеюсь, что мои рассуждения о взаимодействии нейтрино с веществом смогут стать предпосылкой для новых фундаментальных исследований в этой области.
Развитие и внедрение инновационной Neutrinovoltaic технологии в повседневную жизнь будет означать начало новой эры в энергетике, и она приближается быстрее, чем уверены некоторые скептики.
Автор: Румянцев Л.К., к.т.н.
