Разработана технология прикладного применения графена для электрогенерации
В сознании людей понятие «альтернативная энергетика» прочно ассоциируется в основном с солнечной энергетикой и ветрогенерацией и связано с солнечным излучением. Но не многие задумываются, что солнечное излучение имеет различный спектр. Человечество научилось получать электроэнергию от солнечного света (видимого спектра излучения - волны с длиной от 400 до 800 нм), используя фотовольтаику.
Но почему же не использовать для получения электроэнергии излучение невидимого спектра? Согласно теории Максвелла, причиной возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов, поэтому электромагнитные поля невидимого спектра излучения вызывают повышенный интерес учёных для использования в прикладных целях, в частности, для генерации электрического тока. Задача непростая, поскольку необходим материал, способный преобразовывать энергию электромагнитных полей в электрический ток.
За последнее десятилетие ученые искали способы сбора и преобразования окружающей энергии в полезную электрическую энергию. В настоящее время найден наноматериал и получены первые результаты по генерации электроэнергии от электромагнитных излучений. Речь идёт о графене и особенностях колебаний его атомов, которые при гексагональной кристаллической решётке происходят в 3D плоскости в виде «графеновых волн» и наблюдаются в микроскоп с сильным разрешением. Причём, чем сильнее электромагнитные поля, тем сильнее величина и амплитуда колебаний атомов графена. Сейчас можно уверенно констатировать, что «графеновые волны» - это тот механизм, который открывает путь к овладению человечеством энергии «бескрайних» электромагнитных полей. Это судьбоносное открытие, хотя широкая общественность еще не оценила по достоинству его глобального значения.
Наиболее отчетливых успехов в исследованиях использования графена для нужд электрогенерации добилась научная группа немецко-американской компании Neutrino Energy Group под руководством Holger Thorsten Schubart. Исследователи полностью завершили лабораторные и теоретические исследования технологии электрогенерации, названной Neutrinovoltaic. Работоспособность технологии и подтверждение заявленных в патенте характеристик, подтверждена многими независимыми экспертизами, в то числе, экспертизой шведской Королевской академией наук по запросу автомобильного концерна Даймлер.
В Массачусетском технологическом институте под руководством Хироки Исобе также проводятся научные исследования графена для нужд электроснабжения. Хироки Исобе убеждён, - «Если мы сможем преобразовать эту энергию (терагерцевых волн) в источник энергии, который мы можем использовать для повседневной жизни, это поможет решить энергетические проблемы, с которыми мы сталкиваемся сейчас». Однако, абсолютный приоритет в исследовании графена для нужд электрогенерации уверенно принадлежит Neutrino Energy Group, которая уже находится на стадии подготовки к промышленному внедрению своей разработки.
Наноматериал, созданный учеными Neutrino Energy Group, позволяет получать электроэнергию из окружающих энергетических полей и представляет собой чередующиеся слои графена и легированного кремния суммарной толщиной 10-20 нанометров, нанесённых на металлическую фольгу. Выбор оптимальной толщины наноматериала основан на экспериментальных данных и согласуется с результатами работ, опубликованных в журнале Nature профессором ETH (Eidgenössische Technische Hochschule, Zürich) Ванессой Вуд и её коллегами, объясняющими, какие процессы вызывают атомные колебания, когда материалы имеют наноразмер, и как эти знания могут быть использованы в систематической разработке наноматериалов для различных видов применения. В публикации показано, что у материалов, производимых 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 Science and 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.
Как видно из приведённых данных, различные группы учёных всесторонне исследовали колебания атомов графена, но эти исследования не были направлены на прикладное использование графена для нужд электрогенерации, т.к. сами по себе колебания атомов графена не могут вызывать появление электрического тока, для этого должна появиться некая сила заставляющая течь электроны графена в одном направлении. Чтобы направить электроны графена в одном направлении, должна быть нарушена внутренняя симметрия материала, 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. Holger Thorsten Schubart, директор Neutrino Energy Group и руководитель проекта, отвечал на одной из конференций следующим образом: «Мы искали способы сломать инверсию графена и вызвать асимметричный поток электронов в ответ на поступающую энергию. По нашему мнению, добавление легирующих элементов в созданный нами многослойный наноматериал вызывало этот эффект и позволило добиться желаемого результата.»
Широкое внедрение технологии Neutrinovоltaic открывает реальные перспективы в обеспечении населения Планеты чистой энергией и внесёт важный вклад в решение экологических проблем. Иной, пригодной для жизни Планеты, у человечества нет, поэтому для сохранения жизни на Земле сегодня необходимы новые источники получения энергии, одним из таких, безусловно станет Neutrinovоltaic.
Автор: Румянцев Л.К., к.т.н.
Comments