Neutrinovoltaic – новая технология получения электроэнергии. Принцип работы
Развитие Neutrinovoltaic технологии получило свой стартовый толчок в процессе экспериментов по оптимизации работы солнечных панелей: для опытных работ использовались наночастицы различных материалов с целью — достичь максимально возможной активной физической поверхности для увеличения коэффициента полезного действия солнечных панелей, но подобные эксперименты не имели успеха. Было отмечено, что испытываемый материал проявлял признаки нестабильности, при этом возникали вибрации, которые на способствовали улучшению поверхности солнечных батарей. Эти вибрации, происхождение которых было на тот момент было необъяснимым, заставили учёных продолжить работы по усилению вибраций, опираясь на предположение о том, что если в материале происходят вибрации, то их можно привести к резонансу атомных вибраций, а значит и к генерации электроэнергии.
Принцип действия Neutrinovoltaic технологии опирается на способность графена «собирать» электрический ток из окружающей среды, которую случайно обнаружили физики Университета Арканзаса (США). Оказалось, что графен (двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. Атомы углерода находятся в sp²-гибридизации и соединены посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку), не может существовать в 2D-плоскости.
Чтобы существовать отдельно друг от друга, графен должен вести себя как 3D-материал для обеспечения необходимой стабильности. «Лазейкой» является смещение подвижных атомов, что и придает графену свойства третьего измерения. Иными словами, графен никогда не был 100% плоским — он вибрировал на атомарном уровне так, чтобы его соединения не подвергались спонтанному распаду. Группа физиков Манчестерского университета под руководством Пола Тибадо доказала, что дело в так называемых «полетах Леви» — шаблонах небольших случайных колебаний, сочетающихся с внезапными, резкими сдвигами. В атомном масштабе физики видели их впервые. Измеряя скорость и масштаб этих графеновых волн, Тибадо предположил, что их можно использовать для извлечения энергии из окружающей среды.
Эта задача была успешно решена учёными немецко-американской компании NEUTRINO EnergyGroup под руководством Хольгера Шубарта. Необходимо отметить, что все характеристики созданного компанией инновационного многослойного наноматериала были получены экспериментальным путем много лет назад, и только сейчас в открытых источниках появились отдельные теоретические подтверждения фундаментальных основ, доказывающих работоспособность модели, предлагаемой компанией NEUTRINO Energy Group.
Так, например, в журнале Nature профессор ETH (Eidgenössische Technische Hochschule, Zürich) Ванесса Вуд и ее коллеги объясняют, какие процессы вызывают атомные колебания, когда материалы имеют наноразмер, и как эти знания могут быть использованы для систематической разработки наноматериалов для различных видов применения. В публикации показано, 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. Все материалы состоят из атомов, которые вибрируют. Эти атомные вибрации, или «фононы», ответственны за то, как электрический заряд и тепло переносятся в материалах.
Ученые из Венского университета, the Advanced Institute of Scienceand Technology (AIST) в Японии, компании JEOL и Университета La Sapienza в Риме разработали методику, которая может измерять все фононы, присутствующие в наноструктурированном материале. Таким образом, они впервые смогли установить все колебательные режимы автономного графена, а также локальное расширение различных колебательных режимов в нановолокне графена. Этот новый метод, который они назвали «картированием больших q», открывает совершенно новые возможности для установления пространственного и импульсного расширения фононов во всех наноструктурированных, а также двумерных современных материалах. Эти эксперименты открывают новые возможности для изучения локальных режимов колебаний в нанометровом масштабе вплоть до конкретных монослоев.
Кроме того, для оценки технологической возможности использования графена в целях получения энергии из окружающего пространства очень важно оценивать силу взаимодействий между электронами в структуре, называемой витым двухслойным графеном, которая создаётся путем корректировки непосредственного окружения, что является главным достижением для перестраиваемой электронной квантовой материи. В 2018 году было обнаружено, что структура, известная как двухслойный графен с закрученным магическим углом (MATBG), имеет узкую полосу энергии электронов, в которой особенно важны электронные взаимодействия. MATBG принадлежит к исключительной группе материальных платформ, в которых плотность электронов может быть настроена для переключения между изолирующим и сверхпроводящим состояниями. Сила взаимодействия электронов в MATBG может быть настроена при фиксированной электронной плотности с помощью специальной конструкции диэлектрической (изолирующей) среды. MATBG включает в себя два слоя графена (двумерные листы атомов углерода), которые уложены друг на друга с помощью шестиугольных решеток, повернутых без совмещения на угол около 1,1°. Атомы образуют периодическую структуру, называемую муаровой структурой, в которой пространственная протяженность элементарной ячейки (наименьшей повторяющейся единицы) и, следовательно, электронных орбиталей, связанных с узкой энергетической зоной электронов, составляет не более 15 нм. Поскольку эти орбитали намного больше, чем в обычных электронных материалах, диэлектрическая среда MATBG может сильно влиять на электронное экранирование и, следовательно, на электронные взаимодействия.
Группе ученых из MIT (Massachusetts Institute of Technology) удалось превратить графен в сверхпроводник, по которому электричество передается без сопротивления. Открытие того факта, что графен способен к сверхпроводимости, в ближайшем будущем положит начало целому ряду исследований в этой области. Поскольку графен является ключевым элементом в составе материала, изобретенного компанией NEUTRINO Energy Group, его свойство сверхпроводимости сыграет одну из ключевых ролей в особенности для питания электроприборов, где требуется малый и стабильный источник электропитания.
Holger Thorsten Schubart, генеральный директор NEUTRINO Energy Group
Компания NEUTRINO Energy Group продвинулась намного дальше вперёд относительно работ всех других исследователей и прикладного применения знаний в этой области и закрепила свой бесспорный приоритет, получив международный патент под номером WO2016142056A1 в создании электрогенерирующих устройств под воздействием различных излучений, включая космические нейтрино. Так же, как и в случае недавно открытого трехслойного графенового сверхпроводящего материала, в основе Neutrinovoltaic технологии лежит использование сверхтонких слоев графена для создания резонанса под воздействием проходящих излучений искусственного и естественного происхождения, включая космические нейтрино, и преобразования этой кинетической энергии в электрический ток. Для достижения необходимого эффекта на подложку из металлической фольги наносится в несколько слоёв графен и легированный кремний и при прохождении излучений через эту комбинацию слоёв кремния и графена стартует гармонический резонансный процесс, который затем регистрируется электрическим преобразовательным устройством. Покрытая сторона металлического носителя представляет собой положительный полюс, а непокрытый — отрицательный.
Для оценки вклада космических нейтрино в общую генерацию постоянного электрического тока компанией NEUTRINO Energy Group также был проведён независимый аудит работоспособности Neutrinovoltaic технологии одним из швейцарских институтов, который показал, что уже сейчас учёные добились стабильных результатов, лист фольги размером A-4, покрытой плотным слоем легированных наночастиц, размещённый в «клетке Фарадея» и на глубине 30 м под землёй для исключения наводок от электросмога, обеспечил стабильную выходную электрическую мощность в лабораторных условиях 2,5-3,0 Вт.Если принять во внимание, что уровень электромагнитных излучений является довольно стабильной величиной днём и ночью, не зависит от сезонности, а поток космических нейтрино является постоянным и составляет приблизительно 60 млрд. частиц в секунду через 1 см2 земной поверхности в любой точке мира, то источники тока, работающие на Neutrinovoltaic технологии, относятся к гарантированным источникам электроснабжения, что дает им серьёзные преимущества в сравнении с солнечной и ветровой электрогенерацией, зависящей от погодных условий.
Президент компании «Neutrino Energy Group“ Хольгер Шубарт комментирует: «Очень важно понимать и не повторять постоянно одну и ту же ошибку в рассуждениях наших критиков — принцип работы Neutrinovoltaic технологии заключается не в том, чтобы «ловить» нейтрино, а чтобы получить дополнительные микровибрации атомов графена, находящегося в составе сверхтвердого многослойного наноматериала. Иными словами, всё, что способно увеличивать колебания атомов графена, является «топливом» для источников электрического тока, созданных с использованием Neutrinovoltaic технологии».
Готовая к внедрению на рынок технология обеспечит в ближайшем будущем потребителей независимыми источниками энергии как для автономного обеспечения работы бытовых электроприборов, так и для удовлетворения потребности в безопасном и доступном, чистом энергоснабжении во многих областях повседневной жизни.
Автор: Румянцев Л.К., к.т.н.
