Мириады наноантенн переправят всеть ночной жар земли
О узких и эластичных солнечных батареях за последние годы нам приходилось слышать неоднократно. Красота новой разработки пребывает в том, что для преобразования света в ток тут использован не фотоэлектрический эффект, а совсем второй процесс, а ещё — эта панель обещает появляться самой недорогой в производстве из всех ранее созданных.
И притом — действенной.
Исследователи из национальной лаборатории Айдахо (Idaho National Laboratory — INL) в сотрудничестве со экспертами из американской компании MicroContinuum и университета Миссури (University of Missouri) создали необычный прототип солнечной батареи, за которую взяли в прошедшем сезоне респектабельную премию Nano 50.
В страницу 50 лучших инноваций года в области нанотехнологий вошли решётки из наноантенн, отпечатанные на узкой и эластичной подложке.
Нужно заявить, что разные проводящие «узоры» нано- и микрометрового размера на подложке из изолятора люди обучились воспроизводить не день назад. Но новизна подхода учёных из INL содержится в том, что они собираются при помощи таких хитроумных «завитков» приобретать электричество.
Опытный образец решётки из наноантенн, напечатанных на подложке. В этом случае материал спиралей — золото, но разработчики разработки говорят, что тут возможно использовать и другие проводники.
Снимок взят на электронном микроскопе (фото INL).
О том, что для электромагнитных волн видимого диапазона возможно строить антенны наподобие радиоантенн (лишь в соответствующем масштабе), учёные знают относительно в далеком прошлом. О первой таковой работе мы говорили.
А вот исследователи из INL повторили подобный трюк для инфракрасного излучения.
Экспериментаторы пишут, что любая такая спираль имеет поперечник в 1/25 диаметра людской волоса (другими словами получается, что диаметр антенны образовывает порядка 2-4 микрометров). Это сопоставимо с длинами волн инфракрасной части спектра.
Падение ИК-лучей на такую спираль наводит в ней напряжение. Авторы проекта говорят, что сама мысль получения тока от света не за счёт фотоэффекта, а по принципу железной антенны — не нова.
Загвоздка в том, как реализовать данный принцип на практике.
Это непросто. К примеру, огромное количество антенн, хорошо упакованных на подложке, при приёме волн создают поля, воздействующие на соседние антенны и по большому счету — на материалы устройства.
Чтобы выяснить, как будет трудиться многочисленная плёнка с «армией» антенн на ней, учёные создали компьютерные модели, предвещающие особенности отдельных спиралей и кроме этого рассчитывающие резонансные процессы в сложной совокупности из миллиардов таких элементов. на данный момент, меняя в компьютере их материал и геометрию антенн, американские экспериментаторы подбирают самые оптимальные параметры батареи для «сбора солнечного урожая».
Ещё нужно подчернуть, что напряжение в каждой таковой антенне — переменное, и его частота весьма громадна (в продемонстрированном прототипе — десять терагерц). Как преобразовать такое напряжение в постоянное — громадный вопрос.
Физики ещё думают над разными методами ответа данной неприятности, к примеру, над возможностью одновременной печати рядом с наноантеннами миллионов же микроскопических конденсаторов и особых «скоростных» диодов.
И пускай отыскать хороший метод преобразования переменного тока будет непросто, но, по оценке INL, любая наноантенна может обращать в электричество целых 80% дешёвой ей световой энергии.
Не в полной мере светло, как как раз вычисляли создатели устройства его эффективность. Так как на инфракрасную часть спектра излучения приходится приблизительно 45% неспециализированной энергии, которую несут лучи Солнца.
В случае если вычислять, что продемонстрированные антенны преобразуют в ток 80% от энергии как раз ИК-лучей, окажется, что КПД таковой солнечной батареи составит 36% либо кроме того немного меньше, в зависимости от плотности печати антенн на подложке.
Но и это — красивый показатель, пускай сейчас уже и не рекорд. Массовые солнечные батареи до для того чтобы уровня эффективности ещё не добрались.
А ведь преимущество новой разработки перед хорошими солнечными батареями одним КПД не исчерпывается.
Во-первых, утверждают авторы изучения, такая батарея сможет выдавать ток кроме того ночью.
Нет, обращение вовсе не идёт о сборе света звёзд либо Луны (увидим, весьма не сильный если сравнивать с прямым солнечным, к тому же исчезающего в облачную погоду), а об утилизации вторых волн. Это ИК-лучи, каковые создаёт ночью почва, и строения, площади и асфальтовые дороги, нагретые за сутки солнечными лучами.
Авторы решётки наноантенн из INL: Дейл Коттер (Dale Kotter), Стивен Новак и Джуди Партин (Judy Partin) (фото INL).
Как поясняют разработчики в пресс-релизе лаборатории, в течение нескольких часов по окончании захода Солнца почва выдаёт приличное количество энергии в виде инфракрасного излучения. Это и разрешает продолжить работу новых батарей куда продолжительнее светового дня.
Ну а во-вторых, плёнка с наноантеннами значительно дешевле хороших солнечных батарей.
Учёные кроме этого отмечают, что в большинстве случаев изделия, созданные с применением нанотехнологий, владеют поперечником в считанные сантиметры. А для собственного «поля наноантенн» его изобретатели создали особую разработку, разрешающую производить изделия (полимерную плёнку со столь сложным по рисунку нанопокрытием) метрового масштаба.
Забавно, что для опытного образца таковой экзотической солнечной батареи новаторы из INL воспользовались полиэтиленовым мешком, в котором в лабораторию привезли пачку The Wall Street Journal. Эта плёнка была именно подходящей толщины.
Так что в качестве базы для новых панелей возможно использовать вторсырьё либо легко недорогую плёнку, пускай и новую. Что до металла, то его расход ничтожен — толщина узорного проводящего покрытия в новой батарее образовывает всего тысячу атомов.
Изобретатели панели уверены в том, что в будущем на эластичной плёнке возможно будет печатать сходу пара типов преобразователей. Причём с двух сторон.
Так, солнечные батареи будущего смогут преобразовывать в ток широкий спектр излучения, как идущего от Солнца напрямую, так и отражённого от почвы, а ещё и излучение, выдаваемое асфальтом и грунтом ночью.
Увидим, не первый раз исследователи пробуют поднять КПД превращения солнечного света в электричество и снизить цена солнечной энергии, придумывая экзотические варианты генераторов (как, к примеру, в этом интересном проекте термоэлектрического солнечного генератора без подвижных частей).
Какой вариант окажется самым жизнеспособным, угадать сложно. Сами учёные из INL утверждают, что им потребуется всего пара лет чтобы довести идею, заложенную в технологии ИК-наноантенн, до вывода и промышленной реализации на рынок.
