Новый источник возобновляемой энергии

Когда солнце садится, ветер стихает и нет централизованного электропитания, откуда можно взять энергию? Можно, например, воспользоваться аккумулятором или дизель-генератором. Но можно использовать и крайне странный и новый источник возобновляемой энергии. Физики из Гарвардской Школы Инженерных и Прикладных Наук (Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS)) создали устройство для использования энергии инфракрасного излучения Земли во внешнее пространство.

Наша планета нагревается солнцем теплее, по сравнению с холодным космическим пространством за ее пределами. Как говорят ученые, благодаря последним технологическим достижениям этот тепловой дисбаланс можно будет в ближайшее время преобразовывать в энергию постоянного тока, это огромный и неиспользуемый еще источник энергии.

Анализ термодинамики, практические и технологические проблемы опубликованы в Трудах Национальной академии наук США.

«Во-первых, совсем не очевидно, как можно генерировать энергию постоянного тока, испуская инфракрасное излучение в открытый космос, в направлении более холодной среды», пишут главный исследователь Федерико Капассо (Federico Capasso), профессор прикладной физики Роберт Л. Уоллес (Robert L. Wallace) и Винтон Хейс (Vinton Hayes), старший научный сотрудник из SEAS.

«Производить электроэнергию, испуская, а не поглощая свет – странно. Это имеет смысл физически, если поразмыслить, но это нелогично. Мы говорим об использовании физики на наноуровне для совершенно нового применения».

Получение энергии от инфракрасного излучения

Капассо является всемирно известным экспертом в физике полупроводников, фотоники и твердотельной электроники. Он стал соавтором изобретения квантово-каскадного лазера ИК-диапазона в 1994 году, продемонстрировал явление отталкивающей силы Казимира, за которую получил золотую медаль SPIE и другие награды.

«По большому счету, частью спектра ИК-диапазона пренебрегали», говорит Капассо. «Даже для спектроскопии он считался очень трудной областью для работы, до тех пор, пока не был создан квантово-каскадный лазер среднего ИК-спектра. Люди просто не замечали его».

Теперь Капассо и его исследовательская группа предлагают нечто похожее на фотоэлектрических панели солнечных батарей, но вместо использования попадающего на устройство видимого спектра светового излучения оно будет вырабатывать электроэнергию за счет излучения инфракрасного света, таким образом, может быть получена возобновляемая энергия. Такое устройство можно подсоединить к солнечной батарее для получения небольшой, но вполне реальной дополнительной мощности в ночное время.

Устройства уровня макро- и нанотехнологий, возобновляющие энергию

Для того, чтобы продемонстрировать диапазон возможностей данной технологии, группа Капассо предполагает два различных вида эмиссионных устройств: одно является аналогом генератора солнечной тепловой электростанции, а второе является аналогом фотоэлемента. И тот и другой будут работать в режиме реверса.

Первый тип устройства будет состоять из «горячей» пластины с температурой воздуха на Земле, и «холодной», которая должна быть направлена вверх. Холодная пластина будет сделана из эмиссионного материала, который, охлаждаясь, излучает тепло в направлении космического пространства. Измерения показали, что такое устройство позволяет генерировать несколько ватт электроэнергии на 1 м2 площади и днем и ночью. В прохладную погоду сделать «холодную» пластину холоднее окружающее среды труднее, но это устройство иллюстрирует общий принцип работы: разница в температуре позволяет генерировать электричество.

«Такой подход является достаточно интуитивно понятным, потому что мы объединяем знакомые принципы тепловых двигателей и радиационного охлаждения», говорит Стивен Дж. Бернс (Steven J. Byrnes), сотрудник SEAS.

Второе предлагаемое устройство работает за счет разницы температур между наноразмерными электронными компонентами — диодов и антенн, т.е. это не та разница в температурах, которую можно ощутить рукой.

«Если у вас есть два компонента с одной и той же температурой, очевидно, что не удастся получить какую-либо энергию, но если разница температур существует, то получение энергии возможно», говорит Капассо. Но на уровне поведения электронов все менее интуитивно понятно.

На рисунке представлен контур с различными температурными условиями. Схема (A) при тепловом равновесии ток не генерируется; Схема (B) представляет собой обычный выпрямитель. Схема (С), то, что предлагает команда Гарвардского университета.

«Ключ к пониманию заключен в этих красивых схемах», добавляет Капассо. «Мы обнаружили, что их уже рассматривал в 1968 году Дж. Б. Ганн (J.B. Gunn), изобретатель диода Ганна (который используется в полицейских радарах), но применительно к другой области, однако позднее эти схемы были забыты». Чтобы их оценили, потребовалось время.

Проще говоря, компоненты в электрической цепи могут самопроизвольно пускать ток в любом направлении, это называется электрический шум. На диаграмме Ганна видно, что если электрический компонент, такой как диод, имеет более высокую температуру чем резистор, он будет направлять ток в одну сторону, создавая положительное напряжение. Группа Капассо предполагает, что роль резисторов на микроскопическом уровне могут выполнять антенны, которые очень эффективно испускают инфракрасное излучение Земли в небо, охлаждая только необходимую часть схемы.

В результате, «электрический ток получается непосредственно из процесса излучения, без промежуточной стадии охлаждения макроскопического объекта», говорит Бернс.

Согласно опубликованному документу, одна панель может быть покрыта множеством этих крошечных цепей, чьи антенны направлены в небо.

Перспективы и сложности технологии получения возобновляемой энергии

Этот подход является новым, но его можно реализовать благодаря последним технологическим разработкам и достижениям в плазмонике, электронике, новым материалам (таким как графен) и наноматериалам. Команда исследователей говорит, что достоинством их исследования является то, что оно определяет будущие рубежи развития технологии.

«Люди работают с инфракрасными диодами без существенного их изменения, по крайней мере, 50 лет, но последние достижения, такие как нанотехнологии, играют важную роль в их совершенствовании, они делают их более масштабируемыми и воспроизводимыми», говорит Бернс.

Однако проблемы есть даже при использовании самых лучших современных инфракрасных светодиодов. «Чем больший ток течет по контуру, тем лучше компоненты работают. Однако при получении энергии за счет инфракрасного излучения напряжение будет относительно низким», объясняет Бернс. «Это означает, что очень сложно создать инфракрасный диод, который будет хорошо работать при таких условиях».

Инженеры и физики, в том числе Бернс, уже изучают новые виды диодов, которые могут работать при более низких напряжениях, например, туннельные и баллистические диоды. Другим подходом является повышение сопротивления компонентов схемы, что приводит к повышению уровня напряжения. Вероятно, могут потребоваться оба подхода, предсказывает Бернс.

Другой проблемой является скорость. Для инфракрасного сигнала необходима скорость включения и выключения 30 триллионов раз в секунду. Таким образом, к контуру предъявляются требования по скорости и в то же время по напряжению и импедансу.
Таким образом, на данном этапе ученые определились с общими требованиями и спецификацией устройства и могут приступить к работе над инженерным решением.