Международная группа ученых создала технологию энергогенерации на основе графена. Долгое время подобная технология считалась невозможной с технической точки зрения, поскольку предполагает взаимодействие с нейтрино – неуловимыми частицами, которые способны проникать сквозь материю. Эта технология обеспечит генерацию экологически чистой и, главное, безграничной электроэнергии.
Holger Thorsten Schubart, CEO Neutrino Energy Group
Всем знакомо понятие “магнитная буря”. Если коротко охарактеризовать это явление, то магнитная буря – это выброс солнцем потока электромагнитных частиц. Ученые разделяют потоки солнечных частиц на два вида: электромагнитные излучения видимого спектра (солнечный свет) и электромагнитные излучения невидимого спектра.
Учёные, работающие в области альтернативной энергетики, давно нашли применение солнечному свету, создав технологию photovoltaic – получение электроэнергии под действием солнечного света. Данная технология достигла расцвета в наши дни, когда остро встал вопрос о переходе на электрогенерацию без выбросов парниковых газов. Однако, появления принципиально новых открытий в данной технологии сложно ожидать, за исключением ведущихся работ по увеличению кпд солнечных панелей.
Наибольший интерес для инновационных направлений развития науки представляет электромагнитное излучение невидимого спектра излучения. Над перспективами разработки технологии получения электроэнергии под воздействием такого излучения учёные бьются уже не одно десятилетие. При этом сложилось диаметрально противоположное мнение о возможности создания подобной технологии: часть учёных уверена, что создать такую технологию абсолютно невозможно, а другая часть настроена оптимистично к возможности появления такой технологии.
Скептики отмечают, электромагнитное излучение невидимого спектра излучения – это фактически поток нейтрино, которые имеют сверхпроникающую способность, «прошивая» Землю насквозь и не встречая преград. Для того, чтобы зафиксировать отдельные нейтрино, учёным пришлось строить огромные ловушки. Например, детектор «Супер-Камиоканде» состоит из резервуара нержавеющей стали в форме цилиндра высотой 41,4 м и диаметром основания 39,3 м, заполненный 50 тыс. тонн специально очищенной воды. При таких габаритах оборудования не стоит серьезно рассматривать практическое использовании нейтрино, – констатируют скептики.
Поток космических нейтрино – около 60 млрд. частиц в секунду через 1 см2 земной поверхности. В этом гигантском потоке присутствуют различные типы нейтрино с различной энергией, и задача стоит в том, чтобы научиться преобразовывать хотя бы малую долю этого огромного потока в электроэнергию. Кроме того, этот поток относительно стабилен днём и ночью, летом и зимой, поэтому генерация электроэнергии будет происходить стабильно в течение суток, что позволяет относить такие устройства к источникам гарантированного электроснабжения. Позиции позитивно настроенного мирового ученого сообщества серьёзно усилились в 2015 году после присуждения Нобелевской премии по физике за доказательства наличия массы у нейтрино: наличие массы означает наличие у нейтрино энергии.
Графен – ответ на загадку
Решение задачи получения энергии под воздействием электромагнитных излучений означает революционный прорыв в науке – появление принципиально нового источника экологически чистой и безграничной энергии. Благодаря появлению новых материалов оказалось возможным найти решение этой крайне сложной задачи. И таким материалом оказался графен (одноатомный слой углерода), за открытие которого в 2010 году была присуждена Нобелевская премия.
Всестороннее изучение свойств графена показывает, что уже сегодня он находит и будет продолжать находить самое широкое применение в различных областях промышленности и непосредственно в изделиях, кардинально улучшая их свойства за счет высокой проводимости и теплопроводности, прочности и гидрофобности. В настоящее время две трети графеновых патентов в мире – китайские, однако китайские изобретения не касаются такого важного направления применения графена, как выработка электроэнергии. Лидирующую позицию в мире в прикладном применении графена для целей электрогенерации занимает немецко-американская компания Neutrino Energy Group под руководством Holger Thorsten Schubart.
Оказалось, что графен, обладая повышенными колебаниями атомов, способен реагировать на различные электромагнитные и тепловые излучения и «собирать» энергию из окружающей среды. Объяснение этому явлению заключается в системе колебаний атомов графена. Кристаллическая решётка графена представляет собой плоскость, состоящую из шестиугольных ячеек, то есть, является двумерной гексагональной кристаллической решёткой. По этой причине колебания атомов графена вызывают появление «графеновых волн», частота и амплитуда которых зависит от воздействия электромагнитных излучений и тепловых потоков.
Holger Thorsten Schubart так оценивает достигнутые компанией результаты: «Нам удалось полностью разработать технологию получения электроэнергии под воздействием электромагнитных и тепловых излучений, которой мы дали название Neutrinovoltaic. Основа достигнутого успеха – созданный нами многослойный наноматериал, который представляет собой чередующиеся слои графена и легированного кремния. При создании материала, способного вырабатывать электроэнергию, мы придерживались следующих ограничений:
Во-первых, общая толщина материала должна иметь нано размер. Наши эксперименты, результаты которых в дальнейшем были независимо подтверждены профессором ETH (Eidgenössische Technische Hochschule, Zürich) Ванессой Вуд и её коллегами, показали, 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. Эти атомные вибрации, или «фононы», ответственны за то, как электрический заряд и тепло переносятся в материалах. Учитывая, что колебания атомов графена, к примеру, в 100 раз сильнее колебаний атомов кремния, то наложение частоты внешнего воздействия электромагнитных излучений, включая воздействие нейтрино, на внутреннюю частоту колебаний графеновых волн усиливает такие колебания и приводит к резонансу атомных колебаний. Атомные колебания в резонансе позволяют усилить отдачу электронов при контакте с легированным кремнием.
Во – вторых, мы понимали, что один слой графена способен генерировать очень слабый ток. Наша же задача состояла в том, чтобы создать технологию, которая работала бы устойчиво, и создаваемые на её основе источники постоянного тока имели бы компактные размеры. В противном случае технология не могла найти коммерческое применение. Мы решили эту задачу, сделав генерирующий наноматериал многослойным и, таким образом, увеличив многократно выходной ток и напряжение.»
Для достижения необходимого эффекта на подложку из металлической фольги наносится в несколько слоёв графен и легированный кремний. При воздействии электромагнитных излучений природного и искусственного характера, включая космические нейтрино, а также тепловых потоков на комбинацию слоёв кремния и графена начинается гармонический резонансный процесс, который затем регистрируется электрическим преобразовательным устройством. Покрытая сторона металлического носителя представляет собой положительный полюс, а непокрытая – отрицательный. Многослойное покрытие позволяет получить больше энергии с единицы поверхности, что является крайне важным для создания промышленных электрогенерирующих изделий. Это даёт возможность изготавливать компактные источники тока различных мощностных характеристик и размеров, что позволяет размещать их внутри корпусов практически всех приборов, которые требуют электропитания. Несколько листов или десятков листов фольги в зависимости от технических требований с нанесённым инновационным наноматериалом, размещенных друг над другом, как пачка писчей бумаги, а значит соединённых последовательно, составляют энергетическую ячейку. При варьировании соединением нескольких энергетических ячеек создаётся источник постоянного тока необходимых габаритных размеров и мощностных характеристик. Источник постоянного тока размером «с дипломат», имеет выходную мощность от 4,5 до 5,5 кВт/час. Такие компактные габаритные характеристики позволяют создавать автономные источники тока для электроснабжения в том числе отдельных домов и электромобилей.
Полученные результаты создали компании Neutrino Energy Group предпосылки для проектирования электромобиля. Holger Schubart утверждает, «Наш проект электромобиля, получившего название Pi-Car, должен быть небольшим легким транспортным средством с узкими шинами, кузов которого сделан не из металла, а из карбона. Наши источники постоянного тока, встраиваемые в корпус электромобиля, позволят осуществлять зарядку 24 часа в сутки/365 дней в году вне зависимости от погодных условий. Генерируемая мощность позволит Pi электромобилю двигаться в спокойном режиме, используя только тяговый ток от встроенных автономных источников. Предполагается размещение в Pi электромобиле небольшой аккумуляторной батареи, однако она будет задействована только в режимах начала движения, при движении в гору или в пиковые режимы движения. Перечисленные особенности позволяют существенно снизить вес электромобиля и сэкономить дефицитные материалы, используемые в производстве аккумуляторов, кроме того, существенное уменьшение веса электромобиля требует меньшей тяговой силы, что крайне важно для увеличения пробега между зарядками.»
Важность, перспективность и коммерческую выгоду проводимых работ сложно переоценить. Ряд экспертов уже включили Neutrinovoltaic технологию в ряд самых инновационных технологий 2020 года, таких как искусственный интеллект и беспроводная передача энергии. «Я убеждён, что в течение ближайших 10-20 лет практически каждый человек будет иметь прибор или электромобиль, работающий на основе Neutrinovoltaic технологии», – убеждён Хольгер Шубарт.
Внедрение этой инновационной технологии будет означать революционные изменения в традиционной устоявшейся системе энергоснабжения, а также кардинально повлияет на мобильность и развитие автоиндустрии. Мир стоит на пороге существенных перемен.
Автор: Л. К. Румянцев, к.т.н.
teknoblog.ru /2021/01/21/109855 |
