Физики из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) представляют устройство, которое будет собирать энергию инфракрасного излучения Земли в космическое пространство.Наша планета, нагретая солнцем, теплая по сравнению с холодным вакуумом за ее пределами.
Исследователи говорят, что благодаря последним технологическим достижениям, тепловой дисбаланс вскоре может быть преобразован в мощность постоянного тока (DC) с использованием огромного и неиспользованного источника энергии.Их анализ термодинамики, практических соображений и технологических требований будет опубликован на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences.«Поначалу совсем не очевидно, как можно было бы генерировать мощность постоянного тока, излучая инфракрасный свет в свободном пространстве в сторону холода», — говорит главный исследователь Федерико Капассо, профессор прикладной физики Роберта Л. Уоллеса и старший научный сотрудник Винтона Хейса. Электротехника в Гарварде SEAS. «Вырабатывать энергию путем излучения, а не поглощения света — это странно.
Это имеет физический смысл, если задуматься, но это крайне противоречит здравому смыслу. Мы говорим об использовании физики в наномасштабе для совершенно нового приложения».Сложная конвенцияКапассо — всемирно известный специалист в области физики полупроводников, фотоники и твердотельной электроники.
Он стал одним из изобретателей инфракрасного квантово-каскадного лазера в 1994 году, был пионером в области инженерии запрещенной зоны и продемонстрировал неуловимое квантово-электродинамическое явление, названное отталкивающей силой Казимира — работа, за которую он получил Золотую медаль SPIE, премию Европейского физического общества. за квантовую электронику и оптику и премию Яна Чохральского за достижения на протяжении всей жизни. Его исследовательская группа, кажется, специализируется на тщательном изучении предположений других физиков об оптике и электронике.«Средний ИК-диапазон в основном игнорировался», — говорит Капассо. «Даже для спектроскопии, пока не появился квантовый каскадный лазер, средний ИК-диапазон считался очень сложной областью для работы.
Люди просто были наделены шорами».Теперь Капассо и его исследовательская группа предлагают нечто вроде фотоэлектрической солнечной панели, но вместо того, чтобы улавливать входящий видимый свет, устройство будет генерировать электроэнергию, испуская инфракрасный свет.
«Солнечный свет имеет энергию, поэтому фотоэлектрические элементы имеют смысл; вы просто собираете энергию. Но на самом деле это не так просто, и получение энергии от излучения инфракрасного света еще менее интуитивно понятно», — говорит ведущий автор Стивен Дж.
Бирнс (AB ’07) , докторант SEAS. «Не очевидно, сколько энергии вы могли бы генерировать таким образом, и стоит ли продолжать, пока вы не сядете и не проведете расчет».Как выясняется, мощность скромная, но настоящая.Как отмечает Бирнс, «к устройству можно подключить солнечную батарею, например, чтобы получать дополнительную мощность в ночное время без дополнительных затрат на установку».Два предложенных устройства — одно макро, одно нано
Чтобы показать диапазон возможностей, группа Капассо предлагает два разных типа сборщиков эмиссионной энергии: один аналогичен солнечному тепловому генератору энергии, а другой аналогичен фотоэлектрическому элементу. Оба будут работать в обратном направлении.Первый тип устройства будет состоять из «горячей» пластины с температурой Земли и воздуха с «холодной» пластиной поверх нее.
Холодная пластина, обращенная вверх, будет сделана из материала с высокой эмиссией, который охлаждается за счет очень эффективного излучения тепла в небо. Основываясь на измерениях инфракрасного излучения в Ламонте, Оклахома (в качестве примера), исследователи подсчитали, что разница в тепле между пластинами может генерировать несколько ватт на квадратный метр днем и ночью. Было бы трудно поддерживать «холодную» пластину ниже температуры окружающей среды, но это устройство иллюстрирует общий принцип: разница в температуре создает работу.
«Этот подход довольно интуитивно понятен, потому что мы объединяем знакомые принципы тепловых двигателей и радиационного охлаждения», — говорит Бирнс.Второе предложенное устройство основано на разнице температур между электронными компонентами нанометрового уровня — диодами и антеннами — а не на температуре, которую вы можете почувствовать рукой.«Если у вас есть два компонента при одинаковой температуре, очевидно, что вы не сможете извлечь какую-либо работу, но если у вас две разные температуры, вы можете», — говорит Капассо. «Но это сложно; на уровне поведения электронов объяснение гораздо менее интуитивно понятное».
«Все дело в этих красивых принципиальных схемах», — добавляет он (см. Изображение). «Мы обнаружили, что они уже рассматривались ранее для другого применения — в 1968 году Дж. Б. Ганном, изобретателем диода Ганна, используемого в полицейских радарах — и были полностью похоронены в литературе и забыты. много усилий ".
Проще говоря, компоненты в электрической цепи могут самопроизвольно проталкивать ток в любом направлении; это называется электрическим шумом. Диаграммы Ганна показывают, что если электрический компонент типа клапана, называемый диодом, имеет более высокую температуру, чем резистор, он будет проталкивать ток в одном направлении, создавая положительное напряжение. Группа Капассо предполагает, что роль резистора может играть микроскопическая антенна, которая очень эффективно излучает инфракрасное излучение Земли в сторону неба, охлаждая электроны только в этой части цепи.
В результате, по словам Бирнса, «вы получаете электрический ток непосредственно в результате процесса излучения, без промежуточного этапа охлаждения макроскопического объекта».Согласно статье, одно плоское устройство может быть покрыто многими из этих крошечных цепей, направлено в небо и использовано для выработки энергии.
Технологические вызовы — и обещанияОптоэлектронный подход, хотя и новаторский, может быть осуществим в свете последних технологических достижений — достижений в области плазмоники, мелкомасштабной электроники, новых материалов, таких как графен, и нанотехнологий. Команда Гарварда утверждает, что сильная сторона их исследования состоит в том, что оно проясняет остающиеся проблемы.«Люди работали над инфракрасными диодами в течение по крайней мере 50 лет без особого прогресса, но недавние достижения, такие как нанопроизводство, необходимы для того, чтобы сделать их лучше, более масштабируемыми и более воспроизводимыми», — говорит Бирнс.
Однако даже с лучшими современными инфракрасными диодами есть проблема. «Чем больше мощности проходит через одну цепь, тем легче заставить компоненты делать то, что вы хотите. Если вы собираете энергию из инфракрасного излучения, напряжение будет относительно низким», — объясняет Бирнс. «Это означает, что очень сложно создать инфракрасный диод, который будет хорошо работать».
Инженеры и физики, в том числе Бирнс, уже рассматривают новые типы диодов, которые могут работать с более низкими напряжениями, такие как туннельные диоды и баллистические диоды. Другой подход заключается в увеличении импеданса компонентов схемы, тем самым повышая напряжение до более практичного уровня. По прогнозам Бирнса, решение может потребовать и того, и другого.Еще одна проблема — скорость. «Только избранный класс диодов может включаться и выключаться 30 триллионов раз в секунду, что нам и нужно для инфракрасных сигналов», — говорит Бирнс. «Нам нужно учитывать требования к скорости, в то же время, когда мы имеем дело с требованиями к напряжению и импедансу».
«Теперь, когда мы понимаем ограничения и спецификации, — добавляет Бирнс, — мы можем приступить к разработке решения».Ромен Бланшар, защитивший докторскую диссертацию. в Harvard SEAS, был также соавтором статьи в PNAS.
Это исследование было частично поддержано Университетом науки и технологий имени короля Абдаллы (CRG-1-2012-FRA-005-HAR).