작은 장치에서 효율적인 에너지 수확을 가능하게하는 양자 세계의 독특한 속성

콜로라도 대학 볼더 (University of Colorado Boulder)의 과학자들은 전자의 폴터 가이스트와 같은 특성을 이용하여 환경에서 과도한 열을 포착하여 사용 가능한 전기로 변환 할 수있는 장치를 설계했습니다.

연구진은 오늘 (2021 년 5 월 18 일) 저널에 발표 된 논문에서 새로운 “광학 기기”를 설명합니다. 네이처 커뮤니케이션. 육안으로보기에는 너무 작은 이러한 장치는 에너지를 수집하는 데 사용되는 유사한 도구보다 약 100 배 더 효율적입니다. 그들은 전자가 에너지를 소비하지 않고 고체를 통과하는 “공명 터널링”이라는 신비한 과정을 통해이 업적을 달성했습니다.

최근 전기, 컴퓨터 및 에너지 공학과 (ECEE)에서 박사 학위를 취득한 수석 작가 Amina Belkadi는 “그들은 유령처럼 간다”고 말했다.

그녀는 Rectennas ( “modified antennas”의 줄임말)가 자동차 라디오 안테나처럼 작동한다고 설명했습니다. 그러나 전파를 포착하여 톤으로 변환하는 대신 정류기는 빛과 열을 흡수하여 에너지로 변환합니다.

그들은 또한 재생 에너지 세계의 게임 체인저입니다. 이론적으로 Rectenna는 공장 스택이나 베이커리 오븐에서 열을 수확 할 수 있습니다. 일부 과학자들은 지구에서 우주 공간으로 복사 에너지를 포착하기 위해 행성 표면 위로 높이 날아갈 풍선에 이러한 장치를 설치하는 것을 제안하기도했습니다.

그러나 현재까지 Rectinas는 이러한 목표를 달성하는 데 필요한 역량에 도달하지 못했습니다. 아마 아직. 새로운 연구에서 Belkadi와 그녀의 동료들은 에너지를 생성 할 수있는 최초의 Retina를 설계했습니다.

“우리는 처음으로 전자가 에너지를 수집하는 광학 수정 자에서 공진 터널을 통과하는 것을 보여주었습니다”라고 그녀는 말했습니다. “지금까지는 이론적 가능성에 불과했습니다.”

연구 공동 저자 인 ECEE 교수 인 Garret Moddel은이 연구가이 기술의 주요 발전이라고 말했습니다.

“이 혁신은 Rectina를보다 실용적으로 만드는 데 중요한 단계입니다.”라고 그는 말했습니다. “현재 효율성은 매우 낮지 만 증가 할 것입니다.”

불굴의 문제

말 그대로 이러한 장치에 대한 책을 쓴 Moddel이 오랫동안 기대해온 개발입니다. Rectenna는 1964 년 엔지니어 William C. Brown이 마이크로파를 사용하여 소형 헬리콥터에 동력을 공급할 때부터 사용되었습니다. 방사능을 흡수하는 안테나와 그 에너지를 직류로 변환하는 다이오드로 구성된 비교적 간단한 기기입니다.

그는 “전자파의 형태로 빛을 포착하는 라디오 수신기와 같다”고 말했다.

그러나 문제는 마이크로파뿐만 아니라 열 복사를 포착하려면 Rectina 기관이 사람의 머리카락보다 몇 배 더 얇아 야한다는 것입니다. 이로 인해 많은 문제가 발생할 수 있습니다. 예를 들어 전기 장치가 작을수록 저항이 커져 압력 게이지에서 출력되는 전력이 감소 할 수 있습니다.

“이 장치는 매우 낮은 임피던스를 가져야하지만 빛에 실제로 반응해야합니다.”라고 Belkady는 말했습니다. “어떤 방식 으로든 장치를 개선하기 위해 수행하는 모든 작업은 다른 것을 악화시킬 것입니다.”

즉, 수십 년 동안 광학 보정 도구는 수익성이없는 시나리오처럼 보였습니다. 박사후 연구원 Aendra Weirakudi를 포함하여 Belkadi와 그녀의 동료가 해결책을 찾기 전까지는이 문제를 완전히 피하는 것이 어떻습니까?

유령 솔루션

팀의 접근 방식은 양자 영역의 이상한 속성을 기반으로합니다.

Belkadi는 전통적인 규모에서 전자는 에너지를 생성하기 위해 절연체를 통과해야한다고 설명했습니다. 이 절연체는 장치에 많은 저항을 추가하여 엔지니어가 얻을 수있는 전기의 양을 줄입니다.

그러나 최근 연구에서 연구원들은 장치에 하나가 아닌 두 개의 절연체를 추가하기로 결정했습니다. 이 추가는 양자 “우물”이라고 불리는 에너지 현상을 생성하는 데 예기치 않은 영향을 미쳤습니다. 전자가 올바른 에너지로 잘 맞으면 전자를 사용하여 두 절연체를 통해 터널링 할 수 있습니다.이 과정에서 저항이 발생하지 않습니다. 걱정없이 벽을 가로 질러 표류하는 유령과 다를 바 없다. Moddel 연구 그룹의 대학원생은 이전에 이러한 스펙트럼 행동이 직장 영상에서 가능할 것이라고 가정했지만 지금까지 아무도 이것을 증명할 수 없었습니다.

“재료를 올바르게 선택하고 적절한 두께로 만들면 전자가 저항을 보지 못하는 이런 종류의 에너지 레벨이 생성됩니다.”라고 Belkadi는 말했습니다. “그들은 단지 확대하러 갔다.”

그것은 더 많은 힘을 의미합니다. 으스스한 효과를 테스트하기 위해 Belkadi와 그녀의 동료는 실험실의 핫 플레이트에 작은 나비 넥타이 형태로 약 250,000 개의 망막 격자를 조립했습니다. 그런 다음 그들은 열을 높였습니다.

이 장치는 핫 플레이트에서 발생하는 열의 1 % 미만을 포착 할 수있었습니다. 그러나 Belkadi는 이러한 숫자가 증가 할 것이라고 생각합니다.

“다른 재료를 사용하거나 콘돔을 변경하면 더 깊게 만들 수있을 것입니다.”라고 그녀는 말했습니다. “우물이 깊을수록 더 많은 전자가 통과합니다.”

Moddel은 지상의 태양 광 패널부터 공기보다 가벼운 차량에 이르기까지 모든 것 위에 망막 기계가 자리를 잡을 날을 기대합니다. “심 우주에서 복사열을 포착 할 수 있다면 언제 어디서나 에너지를 가질 수 있습니다.”

참조 : 2021 년 5 월 18 일, 네이처 커뮤니케이션.
DOI : 10.1038 / s41467-021-23182-0