На основе графена создана новая технология электрогенерации

Текущая ситуация с энергоснабжением Европы показывает, что наличие автономных систем электроснабжения позволяет их владельцам не бояться получить счета за свет и тепло, которые даже самые хорошо обеспеченные из них не смогут оплатить.

Как бы цинично это не звучало, но такая ситуация на руку компаниям, предлагающим населению не только дрова, пеллеты и уголь, но и генераторы тепла и энергии, работающие на мазуте и дизельном топливе, а также солнечные панели. За исключением солнечных панелей, все перечисленные инструменты генерации энергии приводят к выбросам СО2, что идёт вразрез с провозглашённым курсом ЕС на глобальное сокращение выбросов парниковых газов, хотя сейчас политики предпочитают не заострять на этом внимание. Установка солнечных панелей экономически оправдана, когда в регионе достаточно солнечных дней в году. Зимой, когда ночи длинные, а дни короткие, и в основном пасмурная погода, в разы уменьшается соответственно и эффективность электрогенерации. Данные факты объясняют, почему так необходимы исследования в области создания автономных систем электрогенерации, не связанных со сжиганием ископаемого топлива и не зависящих от погодных условий.

Тенденции в развитии энергетики, особенно в кризисные времена, когда бесперебойное энергоснабжение является непременным условием выживания, ставят вопрос о разработке способов генерации электроэнергии, не связанных с традиционной энергетикой и базирующейся на использовании новейших материалов. Вопросы энергетики находятся в настоящее время в фокусе мировой политики и экономики. Текущая ситуация показала уязвимость западных стран в энергетическом секторе, но и отчётливо показала необходимость ускорения развития альтернативных способов производства энергии. Сама энергетика, методы и способы получения и распределения электроэнергии - очень консервативный сектор экономики. Фактически сегодня осваивается и работает то, что было изобретено ещё 60-100 лет назад, конечно, с учетом модернизаций.

В настоящее время многие научные исследования в той или иной мере связаны с возможностью преобразования падающего на Землю потока солнечных частиц. Данное направление работ является очень перспективным в связи с появлением новых материалов. Именно революционные изменения в технологиях получения экологически чистой безопасной электроэнергии, не несущей ущерба и загрязнения окружающей среде, будут стартовой площадкой для человечества на новом витке технологического прогресса. Развитие IT-технологий, роботизированной техники безусловно важны, но без революции в электроснабжении выживание человечества находится под угрозой.

Кристаллическая решётка графена

Большой интерес представляют новейшие разработки, в которых используется графен в качестве материала для источников электроэнергии. Исследования графена показали, что он обладает большой механической прочностью, высокой теплопроводностью и электропроводимостью, что позволило уже сейчас начать применять его для различных целей, таких, как высокоэффективных теплоотводящих поверхностей, аккумуляторов с улучшенными характеристиками, наномеханических резонаторов, каналов умножения электронов в приборах эмиссионной наноэлектроники, сорбентов большой ёмкости для безопасного хранения водорода и т.д. Спектр использования графена настолько широк, что способен кардинальным образом изменить технологический уровень развития человечества.

В настоящее время в серьёзных научных кругах ни у кого уже не вызывает сомнение возможность графена генерировать электрический ток под воздействием различных видов излучений невидимого спектра. Комбинируя графен с нитридом бора, учёные Массачусетского технологического института смогли получить постоянный электрический ток под воздействием терагерцовых волн. Терагерцовые волны широко распространены в нашей повседневной жизни, и если их использовать, то концентрированная энергия может потенциально служить альтернативным источником энергии. Учёные MIT также обнаружили, что чем сильнее энергия поступающего терагерца, тем больше энергии устройство может преобразовывать в постоянный ток. Исследователи разработали проект терагерцового выпрямителя, состоящего из небольшого квадрата графена, который расположен на слое нитрида бора и находится внутри антенны, которая будет собирать и концентрировать окружающее терагерцовое излучение, усиливая его сигнал настолько, чтобы преобразовать его в постоянный ток.

Holger Thorsten Schubart, президент Neutrino Energy Group
Фотограф Максим Новиков

Однако, несмотря на весь авторитет Массачусетского технологического института в научном мире и финансовую поддержку государства, первенство в исследовании использования графена для электрогенерации принадлежит признать за научно-технологической компании Neutrino Energy Group, которая разработала технологию получения электроэнергии. Учёные под научным руководством математика, доктора эк. наук Holger Thorsten Schubart создали многослойный наноматериал из чередующихся слоёв графена и легированного кремния, наносимых на металлическую фольгу, который генерирует электрический ток под воздействием теплового броуновского движения атомов графена и кинетической энергии частиц окружающих полей излучений невидимого спектра, включая нейтрино. Оптимальный состав такого материала предполагает наличие 12 чередующихся слоёв графен-кремний при общем их соотношении 75/25%.

Из опубликованных работ различных авторов известно, что один слой графена способен генерировать крайне малую мощность, именно поэтому учёные изначально не смогли найти практического применения своим исследованиям, ограничиваясь только научным интересом. Использование многослойности материала позволило компании Neutrino Energy Group выйти на характеристики генерируемой мощности, которые позволяют говорить о промышленном использовании способности графена генерировать энергию. Так, металлическая фольга размером А-4 с нанесённым на одну сторону многослойным покрытием генерирует электрический ток мощностью 3 Вт, причем после нанесения покрытия сторона фольги с покрытием становится положительным полюсом, а без покрытия – отрицательным, что позволяет, используя последовательное и параллельное соединение пластин, достигать нужных параметров по величине тока и напряжения.

Возникает вопрос, почему, казалось бы, такое простое решение об использовании многослойности нанослоев графена и кремния не догадались применить другие исследователи? С одной стороны, решение учёных Neutrino Energy Group напрашивалось само собой, но, с другой стороны, было не понятно, каким образом заставить электроны графена течь в одном направлении? Holger Thorsten Schubart, президент компании Neutrino Energy Group, так комментирует принятое ими конструкторское решение: «Многослойное расположение чередующихся слоёв графена и легированного кремния приводит к тому, что силы между электронами графена «выбиваются» из равновесия. Общий эффект заключался в том, что физики называют «косым рассеянием», когда облака электронов отклоняют свое движение в одном направлении, что и называется постоянным электрическим током. Кроме того, крайне важно использовать чистый графен, практически без примесей, и соблюдать технологию легирования и нанесения слоёв графена и кремния, которые наносятся в вакууме, без доступа кислорода.»

Создание Neutrinovoltaic технологии электрогенерации позволяет получать электроэнергию круглосуточно вне зависимости от места размещения энергетической ячейки. Источники тока, созданные на основе Neutrinovoltaic технологии, состоят из нескольких электрогенерирующих модулей, каждый из которых представляет собой набор плотноупакованных пластин, помещенных в отдельный корпус. Большим преимуществом такой конструкции является возможность увеличения выходной мощности источников тока до необходимых выходных характеристик по току и напряжению. В 2023 году в Швейцарии начнётся лицензионное промышленное производство Neutrino Power Cubes источников электроэнергии мощностью 5-10 кВт с переменным напряжением 220 В и 380 В, а также постоянном током.

Безусловно, в данном случае мы имеем дело с одной из самых инновационных и прогрессивных технологий экологичной энергогенерации в мире. Развитие и внедрение этой инновационной технологии в повседневную жизнь будет означать начало новой эры в энергетике.