Учёные в 100 раз повысили выработку энергии из «мусорного» тепла с помощью новых оптических антенн

Группа учёных из Университета Колорадо в Боулдере разработала новый элемент для выработки энергии из рассеиваемого тепла, которое просто улетело бы в пространство. Новая разработка оказалась в 100 раз лучше предыдущих подобных устройств, но для коммерческих целей КПД элемента необходимо повысить ещё в 100 или 1000 раз.

Оптическая ректенна для выработки электричества из тепла на изображении со сканирующего электронного микроскопа. Источник: Moddel Lab

Вырабатывать электричество из внешнего электромагнитного поля (радиочастотного излучения) могут так называемые выпрямляющие антенны или ректенны (rectifying antenna). Учёные создали ректенну для получения электричества из тепла. В издании Nature Communications исследователи рассказали об элементе, основанном на туннельном эффекте. Задача была поставлена таким образом, что для сбора энергии из тепла требовался как можно меньший по размерам элемент, но необходимо было решить проблему роста сопротивления по мере уменьшения элементов.

Туннельный эффект, которого учёные добились на элементе, фактически означает нулевое сопротивление перехода электрона и резкое повышение уровня выработки. Получить такой эффект исследователи смогли после того, как между контактами перехода создали зазор между двух слоёв диэлектрика — так называемую квантовую яму. Подбор зазора и толщины диэлектриков был такой, что электрон туннелировал с одного контакта на другой, как бы проходя сквозь стену.

Ученые протестировали массив из более чем 250 000 ректенн в форме бабочек, сделанных из никеля, оксида никеля, оксида алюминия, хрома и золота, каждая из которых была примерно 11 нм в длину и 6 нм в ширину. Было обнаружено, что массив показал эффективность преобразования в 100–1000 раз больше, чем предыдущие оптические ректенны.

Несмотря на высокие относительные показатели, КПД массива оказался на уровне 0,001 %. «Нам еще предстоит пройти долгий путь, — сказала автор исследования Амина Белкади (Amina Belkadi). — Возможно, мы сможем повысить эффективность преобразования еще в 1000 раз. При эффективности преобразования от 1 до 2 %, учитывая огромное количество энергии, теряемой в виде отработанного тепла, люди начнут развешивать такие ректенны по стенам».