«Сэндвич» графена и кремния - основа получения нейтриноэлектричества
На мировой арене наблюдается усиление конкуренции за ресурсы, при которой активно задействованы военные силы. Очевидно, что это лишь первый этап в борьбе за стратегические материалы, такие как редкоземельные металлы и ископаемое топливо. Хотя для редкоземельных металлов сложно подобрать альтернативу, ископаемое топливо можно заменить на альтернативные источники энергии.
Альтернативная энергетика, включающая ветровую и солнечную генерацию, постепенно занимает свою нишу на рынке производства электроэнергии. Электромобили также становятся всё более популярной заменой традиционным автомобилям с двигателем внутреннего сгорания. Несмотря на значительный потенциал солнечной и ветровой энергии, их зависимость от природных условий ограничивает возможности масштабного строительства соответствующих электростанций. В качестве перспективного направления в области энергетики, способного преодолеть это ограничение, рассматривается технология нейтриновольтаики (Neutrinovoltaic). На данный момент она успешно прошла предварительное теоретическое моделирование и лабораторные испытания, а теперь переходит от фундаментальных исследований к практическим инженерным разработкам.
Технология предлагает использовать нейтрино в качестве одного из потенциально главных источников энергии. С помощью многослойной гетероструктуры на основе графена и нанокремния технология использует процесс преобразования невидимого излучения, присутствующего во всей Вселенной, в непрерывную и стабильную электрическую энергию. Технология имеет предварительную теоретическую базу, а также экспериментальные проверки принципов работы и точный дизайн материалов. Это открывает новые возможности для решения энергетического кризиса и обеспечения энергетической справедливости.
Изучение Neutrinovoltaic базируется на тщательном анализе физических свойств нейтрино и экспериментальной проверке эффекта когерентного упругого нейтрино-ядерного рассеяния (CEvNS). Этот эффект был выявлен в ходе COHERENT эксперимента. COHERENT — передовой эксперимент, который впервые надёжно наблюдал когерентное упругое рассеяние нейтрино на ядрах и продолжает углублять понимание нейтринной физики. Ключевым аспектом технологии Neutrinovoltaic является обнаружение импульса, который передаётся нейтрино через эффект CevNS. Этот эффект основан на упругом рассеянии нейтрино на ядрах-мишенях. Когерентное наложение амплитуд рассеяния значительно повышает вероятность взаимодействия, в результате чего ядро-мишень получает ощутимый импульс и энергию. Нейтрино обладают уникальными характеристиками и механизмом взаимодействия, что позволяет использовать их для получения энергии.
Принцип работы Neutrinovoltaic систем отличается от традиционных возобновляемых источников энергии. В основе её функционирования лежит аддитивное взаимодействие различных потоков, включая рассеяние нейтрино на электронах, необычные взаимодействия с кварками и электронами, а также когерентное упругое рассеяние нейтрино на ядрах (CEνNS). Кроме того, в процессе задействованы космические мюоны, радиочастотные и микроволновые поля, тепловые флуктуации и механические микровибрации. Эти микроскопические взаимодействия суммируются, создавая общий энергетический выход. Благодаря их совокупной работе система функционирует непрерывно, независимо от погодных условий, таких как отсутствие солнечного света или безветренная погода, что обеспечивает постоянный поток энергии.
Технология Neutrinovoltaic, не требующая топлива, базируется на многослойном наноматериале, состоящем из графена и легированного кремния. Этот инновационный материал был создан группой учёных из компаний Neutrino Energy под руководством математика Хольгера Торстена Шубарт. Графен-кремниевые соединения с изменённой кристаллической структурой принадлежат к классу misfit-материалов. Их отличительная черта — несоответствие решёток кристаллов — наделяет их особыми характеристиками, которые находят применение в современных энергетических технологиях, включая Neutrinovoltaic технологию.
Преобразование энергии становится более эффективным благодаря комбинированному действию пьезоэлектрического, трибоэлектрического и флексоэлектрического эффектов в наногетероструктуре графен-кремний. Лабораторные исследования показали, что оптимальная 12-слойная слоистая структура обеспечивает эффективность в пределах 35-42%. Пьезоэлектрический эффект генерирует разность потенциалов при периодической деформации границы раздела, что теоретически вносит 70% вклада. Трибоэлектрический эффект увеличивает площадь поверхности для передачи заряда, что составляет 20% теоретически возможного вклада. Флексоэлектрический эффект способствует поляризации за счет деформации при изгибе, и его вклад оценивается в 10%. Синергетическое взаимодействие этих трех факторов позволило преодолеть ограничения эффективности, характерные для отдельных механизмов. Важно отметить, что речь идет об эффективности преобразования энергии микроскопических колебаний, а не о прямой конвертации энергии нейтрино в электричество.
Схематичное изображение misfit‑материала графен - кремний
Для улучшения межслойной структуры применяется точное регулирование расстояния между слоями в пределах 0,5-0,8 нм, что позволяет добиться сильного сцепления. В 22-слойной конструкции коэффициент усиления вибрации может достичь 120 раз, значительно повышая эффективность передачи сигнала. Процесс атомно-слоевого осаждения (ALD) также используется для оптимизации границы раздела, позволяя достичь разности потенциалов в 68-69 мВ для однослойной структуры. После многослойной укладки общий потенциал может быть увеличен до 1,507 В, обеспечивая мощную электрическую поддержку для высокопроизводительного электронного оборудования.
Эффективность генерации пластины напрямую связана с качеством технологии нанесения слоёв используемых материалов в наноматериале. За последние два десятилетия, которые были отмечены интенсивными исследованиями, наблюдается значительное ускорение прогресса благодаря внедрению искусственного интеллекта в вычислительные процессы.
Для нейтриновольтаической технологии необходимы материалы, которые не только проводят электричество, но и обладают резонансными свойствами. Эти материалы должны уметь взаимодействовать со сверхслабыми энергетическими импульсами, преобразуя их в направленный поток электронов. Благодаря атомной точности графена, это становится возможным. В комбинации с n-легированным кремнием или с новыми материалами, такими как MXenes и дисульфид молибдена (MoS₂), графен образует многослойные композиты. Эти композиты способны резонировать на квантовом уровне, усиливая даже самые слабые импульсы, создаваемые нейтрино и другими невидимыми частицами и полями.
Опубликованные результаты теоретических и экспериментальных работ позволяют сделать заключение о возможности получения электроэнергии от окружающих полей излучений невидимого спектра. В настоящее время тестируются технологические наработки промышленного нанесения одноатомных слоев графена, кремния и легирующих элементов на большие площади в автоматическом режиме. Положительное решение данной технологической задачи открывает путь к массовому промышленному производству бестопливных Neutrinovoltaic источников электроэнергии.