Графен способен преобразовывать энергию электромагнитных полей в электроэнергию
Способен ли наноматериал на основе графена стать основой ещё одного вида альтернативной энергетики?
Лучшие умы мировой науки работают над поиском альтернативы ископаемому топливу. Как бы нефтяники, газовики и угольщики не уговаривали себя и других, что запасов углеводородов достаточно на долгие годы вперёд, реальность, основанная на фактах, выглядит иначе. Потребность в электроэнергии будет только возрастать в связи с активным развитием IT отрасли, автоматизации, роботизации, массовым переходом транспорта на электрическую тягу, с увеличением потребности в электроэнергии в домашнем хозяйстве и т.д. Специалисты прогнозируют двукратное увеличение спроса на электроэнергию в ближайшие 30 лет.
Новые знания и открытия, создаваемые материалы закладывают сегодня прочную базу для появления инновационных технологий, включая и сферу энергетики. Энергетика важная отрасль промышленности, но при этом крайне консервативная. Например, атомные блоки строятся для работы на срок 80-100 лет, поэтому большим успехом развития этого сектора могло бы стать такое решение, когда альтернативная энергетика смогла бы не только замещать отслужившие свой срок энергетические блоки, но и компенсировать возрастающий спрос на электроэнергию. Процесс этот будет длительным, займет, возможно, десятилетия, поскольку новые виды электрогенерации должны не просто вырабатывать электроэнергию, но быть гибкими для покрытия пикового спроса и обеспечивать при этом устойчивость работы энергосистемы.
Зависимость солнечной и ветровой электрогенераций от погодных условий не позволяет им стать основой энергетики будущего, строительство же систем хранения энергии сделает стоимость электроэнергии для потребителей очень дорогой, что неизбежно скажется, в свою очередь, на стоимости всех товаров.
Решением проблемы может оказаться возможность получения энергии под воздействием космических нейтрино, пронизывающих каждый см2 земли с интенсивностью около 60 млрд. частиц в секунду, а также от иных энергетических и тепловых полей. Возможность этого процесса в начале 20-го века продемонстрировал Никола Тесла. С тех пор не было сообщений, что кто-либо хотя бы приблизился к решению этой задачи. Обладание этой бесконечной огромной энергией навсегда могло бы решить энергетические проблемы человечества, а имя создателя навсегда войдёт в историю.
В настоящее время человечество находится как никогда близко к обладанию этой бесконечной энергией, но учёные подошли к этому с новыми знаниями и новыми материалами. Открытие графена и изучение его свойств, показало, что он способен преобразовывать энергию электромагнитных полей, включая нейтрино, в электроэнергию.
Механизм получения электрического тока основан на процессе воздействия энергетических и тепловых полей на колебания атомов графена. Графен был выбран не случайно, т.к. он имеет гексагональную (шестиугольную) кристаллическую решётку: это одноатомный слой углерода и относится к 2D материалам. Однако сильные колебания атомов графена (в 100 раз выше, чем, например, в кремнии) в результате такого строения кристаллической решётки приводят к появлению так называемых «графеновых волн» или «ряби», т.е. когда соседние области чередуются между вогнутой и выпуклой кривизной. Чем сильнее воздействие энергетических и тепловых полей, тем сильнее колебания атомов графена, а значит частота и амплитуда колебаний «графеновых волн». Теоретические исследования дают объяснение, что источником этого процесса является электрон-фононная связь, поскольку она подавляет жесткость длинноволнового изгиба и усиливает внеплоскостные флуктуации. Современные микроскопы с большим разрешением позволяют видеть «рябь» графена. Графен имеет чрезвычайно высокую плотность электрического тока (в миллион раз больше, чем у меди) и рекордную подвижность носителей зарядов. В графене каждый атом связан с 3 другими атомами углерода в двухмерной плоскости, при этом один электрон остается свободно доступным в третьем измерении для электронной проводимости.
Графен, среди прочих достоинств, – очень твёрдый материал. Механизм взаимодействия космических (солнечных) нейтрино с ядрами графена, позволяют раскрыть опубликованные в начале 2021 года журналом Science результаты работ коллаборации COHERENT в Ок-Риджской национальной лаборатории (США). Было обнаружено, что нейтрино низкой энергии участвуют в слабом взаимодействии с ядрами аргона. Этот процесс получил название когерентное упругое нейтрино-ядерное рассеяние (CEvNS). Ядра графена легче ядер аргона, поэтому эффект взаимодействия проявляется сильнее, а амплитуда и частота колебания атомов графена увеличивается. Нейтрино — только один из факторов, воздействующих на амплитуду и частоту колебаний атомов графена. Любые электромагнитные излучения и температура влияют на величину колебаний атомов графена, усиливая их и приводя к резонансу атомных колебаний, что многократно увеличивает силу тока. Но сами по себе колебания, даже в резонансе, — необходимое, но не достаточное условие для генерации постоянного электрического тока.
Наибольшего успеха в плане практического применения графена для нужд электрогенерации достигли учёные немецко-американской компании Neutrino Energy Group. Руководитель научной группы Holger Thorsten Schubart так комментирует полученные результаты, — «Один слой графена генерирует очень маленькую мощность, которую крайне сложно использовать в практическом применении, поэтому мы, в результате многочисленных экспериментов, пришли к многослойной структуре электрогенерирующего наноматериала, когда слой графена чередуется со слоем легированного кремния. Причём результирующая толщина не должна превышать 10-20 нанометров, так как дальнейшее увеличение толщины наноматериала приводило к снижению выходной мощности».
В журнале Nature профессор ETH (Eidgenössische Technische Hochschule, Zürich) Ванесса Вуд и ее коллеги объясняют этот эффект. 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. «Наш наноматериал наносится на металлическую подложку (фольга) с одной стороны. В результате такого строения сторона фольги с нанесённым наноматериалом имеет положительный полюс, а другая отрицательный, т.е. как в любой батарейке. Такие энергетические пластины можно соединять последовательно друг с другом или параллельно в зависимости от необходимых показателей по выходному току и напряжению. Добавление легирующих элементов в наноматериал позволило добиться появления эффекта «косого рассеяния», когда появляется сила, заставляющая электроны графена течь в одном направлении, т.е. генерировать постоянный электрический ток. Мы назвали такую технологию Neutrinovoltaic”, — резюмирует Хольгер Шубарт.
В самые ближайшие годы компания Neutrino Energy Group и другие компании – партнеры, выкупившие лицензионные права на производство источников тока, изготовленных на основе Neutrinovoltaic, выйдут на рынок распределённой электрогенерации и займут несомненно важные позиции на рынке энергетики и электромобильности, поскольку Neutrino Energy Group приступила также и к разработке электромобиля Pi—Car со встроенными нейтринными электрогенераторами постоянного тока.