«Случайное» открытие даст импульс развития бестопливным технологиям в энергетике и транспорте

Единицы ученых в мире задумывались над тем, что окружающее нас пространство наполнено бесконечной энергией, и только немногие серьезно работали над возможностью «добычи» такой энергии. Причиной тому возможно является то, что человек не может ее реально воспринимать и материализовать. Кроме того, энергия окружающих полей излучений является распределенной, а не концентрированной, как энергия, генерируемая при сжигании ископаемого топлива или энергия атомных энергоблоков, солнечная энергия и т.д. Поэтому абсолютно логично, что ученые работали и продолжают работать только над энергетическими технологиями, связанными с концентрированной энергией, считая такой выбор своих исследований более перспективной и благодарной работой в плане достижений и материализации успеха не только для защиты диссертаций, но и для карьерного роста, получении различных дивидендов от внедрения своих разработок.

Научные открытия, которые приводят к разработке принципиально новой технологии получения энергии, являются довольно редкими, а их путь от самого открытия до массового внедрения занимает не одно десятилетие, поэтому сама мысль получения энергии под воздействием окружающих полей излучений до сих пор является неприемлемой для большинства ученых и специалистов энергетической промышленности, что объясняет факт во многом «случайного» появления подобной технология в процессе исследований материалов для оптимизации и повышения кпд солнечных панелей.

Технология получила название Neutrinovoltaic и разработана международным коллективом ученых компании Neutrino Energy Group под руководством математика Holger Thorsten Schubart, которые исследовали влияние нанесения тонкопленочных покрытий из различных наноматериалов на эффективность работы солнечных панелей. Оказалось, что нанесение некоторых пленочных покрытий привело к снижению эффективности их работы. Причиной являлись повышенные колебания атомов исследуемых материалов. Объяснение было найдено в опубликованных в журнале Nature результатах работ, проведенных в лабораториях профессора Вуд в ETH Zurich и в Swiss Spallation Neutron Source в Институте Пола Шеррера. В публикации показано, что, когда материалы изготавливаются 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.

«Для некоторых применений, таких, как катализ, термоэлектрика или сверхпроводимость, эти большие колебания могут быть позитивными, но для других применений, как светодиоды или солнечные элементы, эти колебания нежелательны», — отметила профессор ETH Ванесса Вуд.

Наиболее заметные колебания в экспериментах компании Neutrino Energy Group показывали атомы графена, причем было отмечено нетипичное поведение графена в отличие от других исследуемых материалов. В микроскоп с большим разрешением было отчетливо видно появление «графеновой» волны, что вызвало интерес ученых к прикладному использованию такого поведения графена. Потребовалось еще несколько лет многочисленных экспериментов, которые позволили ученым создать многослойный наноматериал из чередующихся слоев графена и легированного кремния, наносимых послойно на одну сторону металлической фольги, который генерирует постоянный электрический ток. Такая пластина размером 200х300 мм при комнатной температуре дает напряжение 1.5 В и силу тока 2 А, что позволяет перейти к промышленному внедрению Neutrinovoltaic технологии и разработке на ее основе генераторов различной мощности и различного предназначения.

«Графеновые» волны

Эксперименты показали, что мощность электрогенерации зависит от амплитуды и частоты колебаний «графеновых» волн, т.е. от амплитуды и частоты колебаний атомов графена. Требовалось физическое объяснение процесса преобразования энергии окружающих полей излучений в электрический ток и выявление факторов, влияющих на колебания атомов графена. Эксперименты, проведенные при различных условиях и температурах, показали, что основные факторы, влияющие на амплитуду и частоту колебаний атомов графена, – это тепловое (броуновское) движение атомов графена, зависящее от температуры. Кроме того, атом графена (углерода) имеет порядковый номер 6 в периодической системе химических элементов и атомный вес 12,011, т.е. являются одними из самых легких. Так как вес атома сосредоточен в его ядре, то кинетическая энергия нейтральных частиц нейтрино, имеющих массу, может передаваться ядрам атомов графена только при столкновении с ними. Часть низкоэнергетических нейтрино в этом случае могут полностью потерять скорость или изменить направление движения.

Процесс похож на столкновение большого (ядро атома графена) и маленького (нейтрино) шаров под различными углами, приводящее к едва заметному отклонению ядра атома графена, но, чем больше энергия нейтрино, тем сильнее отклонение ядра. Данный механизм взаимодействия подробно описан в результатах работ коллаборатории COHERENT в Ок-Риджской национальной лаборатории (США). Несмотря на маленький размер ядра атома графена по сравнению с размером самого атома, данный процесс взаимодействия очень важен для увеличения амплитуды и частоты колебаний «графеновой» волны. Для того чтобы подчеркнуть важность воздействия нейтрино на мощность электрогенерации, технологии было дано название Neutrinovoltaic. На величину колебаний атомов графена влияют также другие энергетические поля, как электросмог, различные станции связи и WI-FI, электромагнитные поля, поток антинейтрино вблизи ядерных установок и т.д. Ученые сделали вывод, что колебания атомов графена находятся в состоянии резонанса, и это состояние многократно усиливает эффект генерации электроэнергии.

Графен имеет чрезвычайно высокую плотность электрического тока 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. Колебания «графеновой» волны вызывают появление электродвижущей силы в каждом слое графена, которых может быть от 12 до 20. Для того, чтобы направить поток заряженных частиц в одном направлении используются пленки легирующих элементов, создающих p-n переход, пропускающих ток только в одном направлении.

Слева-направо: Rajendrakumar Sharma, генеральный директор SPEL Technologies, Holger Thorsten Schubart, президент Neutrino Energy Group, Bharat Bhanudas Kale, генеральный директор Центра материалов для электронных технологий, Thorsten Ludwig — технический директор Neutrino Energy Group

Первый завод начнет серийный выпуск Neutrino Power Cubes бестопливных генераторов нетто-мощностью 5-6 кВт в Швейцарии в начале 2024 года, в настоящее время проводится техническая сертификация для допуска продукции на рынок ЕС. Также в этом году в Корее начинается строительство завода по выпуску Neutrino Power Cubes, которая по плану должна начать выпуск продукции в конце 2024 года, достигнув к 2029 году ежегодного выпуска продукции 30 ГВт. А через 3 года планируется представить самозаряжающийся Pi электромобиль, корпус которого будет иметь точки «сбора» энергии и систему конденсаторов. Такой электромобиль разрабатывается компанией Neutrino Energy Group совместно с индийской компанией Центр материалов для электронных технологий (C-MET) в Пуне, ведущей правительственной лабораторией Министерства электроники и информационных технологий (MeitY), которую возглавляет генеральный директор доктор Bharat Bhanudas Kale — член Королевского химического общества в Лондоне, один из самых известных ученых мира в области энергетики и материалов, а также компанией SPEL Technologies Pvt. Ltd. — первый и в настоящее время единственный в Индии производитель суперконденсаторов и их усовершенствованных версий. Доктора Rajendrakumar Sharma, генерального директора SPEL Technologies, называют «отцом суперконденсаторов».

Таким образом случайный результат исследований из параллельных научных областей стал основой принципиально новой технологии генерации энергии Neutrinovoltaic, которая способна изменить основы традиционной энергосистемы в мире и образ жизни человечества на Планете в целом.

Автор: к.т.н. Румянцев Л.К.