Η παράξενη ιδιότητα του κβαντικού κόσμου επιτρέπει την αποτελεσματική συλλογή ενέργειας σε μια μικρή συσκευή

Οι επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο στο Boulder έχουν εκμεταλλευτεί μια ιδιότητα ηλεκτρόνων που μοιάζει με poltergeist για να σχεδιάσουν συσκευές που μπορούν να συλλάβουν υπερβολική θερμότητα από το περιβάλλον τους – και να τη μετατρέψουν σε χρησιμοποιήσιμο ηλεκτρισμό.

Οι ερευνητές περιέγραψαν τα νέα τους «οπτικά ορθογώνια» σε ένα άρθρο που δημοσιεύθηκε σήμερα (18 Μαΐου 2021) στο περιοδικό Επικοινωνία φύσης. Αυτές οι συσκευές, οι οποίες είναι πολύ μικρές για να φαίνονται με γυμνό μάτι, είναι περίπου 100 φορές πιο αποτελεσματικές από τα παρόμοια εργαλεία που χρησιμοποιούνται για τη συλλογή ενέργειας. Και επιτυγχάνουν αυτό το κατόρθωμα μέσω μιας μυστηριώδους διαδικασίας που ονομάζεται «σήραγγας συντονισμού» – στην οποία τα ηλεκτρόνια περνούν μέσω στερεάς ύλης χωρίς να καταναλώνουν ενέργεια.

«Έρχονται σαν φαντάσματα», δήλωσε η επικεφαλής συγγραφέας Amina Belkadi, η οποία έλαβε πρόσφατα το διδακτορικό της από το Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Ηλεκτρικής Ενέργειας (ECEE).

Τα Rectennas (συντομογραφία για την «αποκατάσταση κεραιών»), εξήγησε, λειτουργούν σαν κεραίες ραδιοφώνου αυτοκινήτου. Αλλά αντί να παίρνουν ραδιοκύματα και να τα μετατρέπουν σε αέρα, οι οπτικοί ορθογώνιοι απορροφούν φως και θερμότητα και το μετατρέπουν σε ισχύ.

Αποτελούν επίσης δυνητικούς μοχλούς αλλαγής στον κόσμο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Τα πηδάλια εργασίας θα μπορούσαν, θεωρητικά, να συλλέγουν θερμότητα από καμινάδες του εργοστασίου ή φούρνους αρτοποιίας που διαφορετικά θα σπαταλούσαν. Μερικοί επιστήμονες έχουν προτείνει ακόμη και την τοποθέτηση αυτών των συσκευών σε αεροσκάφη που θα πετούν πάνω από την επιφάνεια του πλανήτη για να συλλάβουν ενέργεια που εκπέμπει από τη Γη στο διάστημα.

Όμως, μέχρι στιγμής, τα πηδάλια δεν μπόρεσαν να επιτύχουν τα κέρδη απόδοσης που απαιτούνται για την επίτευξη αυτών των στόχων. Μέχρι τώρα, ίσως. Στη νέα μελέτη, ο Belkadi και οι συνάδελφοί του σχεδίασαν τα πρώτα ορθογώνια ικανά να παράγουν ενέργεια.

READ  Το ESA Trace Gas Orbiter εντοπίζει την επιμονή Rover στον κρατήρα Jezero | Εξερεύνηση του διαστήματος

“Δείχνουμε για πρώτη φορά συντονισμό ηλεκτρονίων σε συντονισμό σε οπτική ορθογωνία συλλογής ενέργειας”, είπε. “Μέχρι τώρα, αυτό ήταν μόνο μια θεωρητική δυνατότητα.”

Ο συν-συγγραφέας της μελέτης Garret Moddel, καθηγητής στο ECEE, δήλωσε ότι η μελέτη ήταν μια σημαντική ανακάλυψη για την τεχνολογία.

«Αυτή η καινοτομία είναι ένα σημαντικό βήμα προς την επίτευξη πιο πρακτικών ορθών,» είπε. “Αυτή τη στιγμή η απόδοση είναι πολύ χαμηλή, αλλά θα αυξηθεί.”

Ένα ασυναγώνιστο πρόβλημα

Είναι μια εξέλιξη που ο Moddel, ο οποίος έγραψε κυριολεκτικά το βιβλίο σε αυτές τις συσκευές, περιμένει εδώ και πολύ καιρό. Τα Rectennials υπάρχουν από το 1964, όταν ένας μηχανικός με το όνομα William C. Brown χρησιμοποίησε μικροκύματα για να τροφοδοτήσει ένα μικρό ελικόπτερο. Είναι σχετικά απλά εργαλεία, αποτελούμενα από κεραία, η οποία απορροφά την ακτινοβολία και μια δίοδο, η οποία μετατρέπει αυτήν την ενέργεια σε συνεχές ρεύμα.

«Είναι σαν δέκτης ραδιοφώνου που παίρνει φως με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων», λέει.

Το πρόβλημα, ωστόσο, είναι ότι για να συλλάβει τη θερμική ακτινοβολία και όχι μόνο τα μικροκύματα, τα ορθογώνια πρέπει να είναι απίστευτα μικρά – πολλές φορές πιο λεπτά από τα ανθρώπινα μαλλιά. Και αυτό μπορεί να προκαλέσει μια σειρά προβλημάτων. Όσο μικρότερη είναι μια ηλεκτρική συσκευή, για παράδειγμα, τόσο μεγαλύτερη αυξάνει η αντίστασή της, η οποία μπορεί να μειώσει την ισχύ εξόδου ενός ορθογώνιου.

«Χρειάζεστε αυτήν τη συσκευή για να έχετε πολύ χαμηλή αντίσταση, αλλά πρέπει επίσης να είναι πραγματικά ευαίσθητη στο φως», είπε ο Belkadi. “Οτιδήποτε κάνετε για να βελτιώσετε τη συσκευή με έναν τρόπο θα έκανε το άλλο χειρότερο.”

READ  Νέα εικόνα της Αφροδίτης που τραβήχτηκε από τον Parker Solar Probe

Για δεκαετίες, με άλλα λόγια, οι οπτικοί ορθογώνιοι φαινόταν σαν σενάριο χωρίς νίκη. Μέχρι ο Μπελκάδι και οι συνεργάτες του, συμπεριλαμβανομένου του μεταδιδακτορικού ερευνητή Ayendra Weerakkody, να βρουν μια λύση: γιατί να μην ξεπεράσουμε αυτό το εμπόδιο εντελώς;

Μια φανταστική λύση

Η προσέγγιση της ομάδας βασίζεται σε μια παράξενη ιδιότητα του Quantum Realm.

Ο Μπελκάδι εξήγησε ότι σε ένα παραδοσιακό ορθογώνιο, τα ηλεκτρόνια πρέπει να περάσουν από έναν μονωτή για να παράγουν ενέργεια. Αυτοί οι μονωτές προσθέτουν μεγάλη αντίσταση στις συσκευές, μειώνοντας την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που μπορούν να εξαγάγουν οι μηχανικοί.

Στην τελευταία μελέτη, ωστόσο, οι ερευνητές αποφάσισαν να προσθέσουν δύο απομονωτές στις συσκευές τους, όχι μόνο σε μία. Αυτή η προσθήκη είχε το αντίθετο αποτέλεσμα της δημιουργίας ενός ενεργητικού φαινομένου που ονομάζεται κβαντικό «πηγάδι». Εάν τα ηλεκτρόνια φτάσουν σε αυτό το επίπεδο με τη σωστή ενέργεια, μπορούν να το χρησιμοποιήσουν για να διοχετεύσουν τους δύο μονωτές – χωρίς καμία αντίσταση στη διαδικασία. Θυμίζει ένα φάντασμα που παρασύρεται μέσα από έναν τοίχο ανενόχλητο. Ένας απόφοιτος φοιτητής της ερευνητικής ομάδας του Moddel είχε προηγουμένως υποθέσει ότι μια τέτοια φασματική συμπεριφορά μπορεί να είναι δυνατή σε οπτικά ορθογώνια, αλλά μέχρι στιγμής κανείς δεν μπόρεσε να το αποδείξει.

«Εάν επιλέξεις τα υλικά σου σωστά και τα πάρεις στο σωστό πάχος, δημιουργεί αυτό το επίπεδο ενεργειακής στάθμης όπου τα ηλεκτρόνια δεν βλέπουν καμία αντίσταση», είπε ο Μπελκάδι. “Απλώς κάνουν μεγέθυνση.”

Και αυτό σημαίνει περισσότερη δύναμη. Για να δοκιμάσει το τρομακτικό αποτέλεσμα, ο Μπελκάδι και οι συνάδελφοί του σχεδίασαν μια σειρά από περίπου 250.000 ρετσένια, τα οποία έχουν σχήμα μικροσκοπικών κόμπων πεταλούδας, σε μια εστία στο εργαστήριο. Στη συνέχεια, ανέβασαν τη ζέστη.

READ  Νέα ζωή αιγυπτιακών μούμιες - Dinamani

Οι συσκευές μπόρεσαν να συλλάβουν λιγότερο από το 1% της θερμότητας που παράγεται από την εστία. Αλλά ο Belkadi πιστεύει ότι αυτοί οι αριθμοί θα αυξηθούν μόνο.

«Εάν χρησιμοποιούμε διαφορετικά υλικά ή αλλάζουμε τη μόνωση μας, ίσως μπορούμε να το σκάψουμε πολύ βαθύτερα», είπε. “Όσο βαθύτερα το πηγάδι, τόσο περισσότερα ηλεκτρόνια μπορούν να περάσουν.”

Το Moddel προσβλέπει στην ημέρα που τα ορθογώνια θα εγκατασταθούν πάνω από τα πάντα, από ηλιακά πάνελ επίγειου έως ελαφρύτερα από τον αέρα οχήματα στον αέρα: . “

Αναφορά: 18 Μαΐου 2021, Επικοινωνία φύσης.
DOI: 10.1038 / s41467-021-23182-0

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *