05.03.2014 | Наука

Устройство для захвата тепла Земли станет новым источником энергии

Солнечные батареи хороши в южных странах при ясной погоде и только днём. Ветрогенераторы, соответственно, без ветра обеспечивать нас энергией не могут.

Команда физиков из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук (SEAS) описала в своей статье, опубликованной в журнале PNAS, принципиально новый взгляд на альтернативные источники энергии.

Наша планета постоянно нагревается солнечными лучами, и имеет большую температурную разницу с окружающим космическим вакуумом. Исследователи утверждают, что благодаря новейшим технологическим достижениям, этот температурный дисбаланс может быть преобразован в постоянный ток. Можно сказать, у человечества под носом неиссякаемый источник энергии, не зависящий от погодных условий.

"В первую очередь, нужен нетривиальный метод генерации постоянного тока посредством испускания инфракрасного излучения, то есть тепла, в холодное космическое пространство. Вообще, получение энергии через испускание, а не поглощение света, звучит довольно странно. Но с точки зрения физики на наноуровне наша идея приобретает здравый смысл", — рассказывает ведущий автор исследования Федерико Капассо (Federico Capasso), всемирно известный специалист в области физики проводников, фотоники и твердотельной электроники.

Исследовательская группа во главе с Капассо предложила прототип устройства, очень похожего на фотоэлектрическую панель солнечной батареи, но с одним исключением. Вместо того чтобы захватывать видимый свет, устройство будет вырабатывать электроэнергию, испуская инфракрасное излучение.

"Принцип работы фотоэлектрических устройств основан на том факте, что солнечный свет обладает энергией, которую мы собираем и используем в своих целях", — поясняет соавтор работы Стивен Бирнс (Steven Byrnes). Учёные подсчитали, сколько энергии можно получить при помощи спроектированного ими устройства, и оказалось, что оно работает, хотя показатели и не слишком высоки.

Чтобы компенсировать затрачиваемое количество энергии, Бирнс предложил подсоединять их устройства к солнечным батареям, чтобы одни работали днём, когда требуется максимум энергии, а другие — ночью.

Для расширения диапазона возможностей технологии Капассо и его коллеги спроектировали два вида эмиссионных источников для получения энергии. Первый является аналогом солнечного теплогенератора, а другой больше похож на фотоэлемент. При этом каждое устройство будет работать по принципу обратному перечисленным.

Первый тип будет состоять из одной "горячей" пластины, имеющей температуру Земли и воздуха, и второй "холодной", прикреплённой сверху первой. Вторая должна быть сделана из материала с высокой излучательной способностью, чтобы она могла охлаждаться, эффективно излучая тепло в открытый космос.

Исследователи подсчитали, что температурная разница между пластинами способна выдавать несколько ватт на квадратный метр, как днём, так и ночью. Есть, правда, один минус: поддерживать низкую температуру пластины будет довольно накладно.

Второе устройство работает благодаря температурной разнице между наноразмерными электронными компонентами — диодами и антеннами. Для описания его работы потребовалось много времени и исследовательской деятельности, но физикам всё же удалось докопаться до истины.

Они пристально изучили давно забытые диаграммы Джона Ганна, изобретателя диода Ганна, который сегодня используется в полицейских радарах. Ранее учёные полагали, что эти расчёты имеют мало общего с темой их исследования, но позднее оказалось, что это не так.

Согласно диаграммам, компоненты в электрической цепи могут самопроизвольно направить ток в любом направлении — это явление известно как электрический шум. Но если диод будет обладать более высокой температурой, чем резистор, то ток пойдёт лишь в одном направлении, производя тем самым положительное напряжение.

Капассо предположил, что роль резистора успешно сможет сыграть микроскопическая антенна, которая эффективно испускает инфракрасное излучение Земли в космос, охлаждая электроны только на одном участке электроцепи. Множество крошечных электроцепей можно направить на небо и уместить на одном плоском устройстве.

"В результате вы получаете электрический ток непосредственно из процесса излучения, без промежуточной стадии охлаждения макроскопического объекта", — поясняет Бирнс в пресс-релизе.

Для Капассо, Бирнса и их коллег данное исследование имело и фундаментальное значение. Дело в том, что инфракрасные диоды используются человечеством уже, как минимум, полвека, однако никакого прогресса в их оптимизации до сих пор не наблюдается. Оптоэлектронные технологии, которыми сейчас занимаются гарвардские физики, могут иметь массу практических применений в плазмонике, наноэлектронике, а также при работе с графеном и другими новыми материалами.

По публикациям UkrNet