Jak získat elektřinu z tepelného záření Země kvantovým tunelováním?  
Nová terahertzová technologie je jako kvantový zázrak. Dokáže vytěžit elektrickou energii ze všudypřítomného tepelného záření, které jinak bez užitku uniká pryč. Blahoslaven budiž tunelový jev.

Kvantové tunelování. Kredit: CC0 Creative Commons.
Kvantové tunelování. Kredit: CC0 Creative Commons.

Naše planeta není právě vzorem v hospodaření s energií. Ve skutečnosti se na Zemi plýtvá energií v naprosto ohromujícím rozsahu. Většinu slunečního záření, které k nám posílá naše hvězda, pohltí souše, oceány a atmosféra. Přitom se ohřejí a pak z nich nepřetržitě uniká infračervené, čili tepelné záření, jehož úhrnná energie je jenom obtížně představitelná. Podle některých odhadů jde o miliony gigawattů za každou sekundu.

 

Atif Shamim. Kredit: KAUST.
Atif Shamim. Kredit: KAUST.

Atif Shamim z univerzity King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) v Saúdské Arábii a jeho spolupracovníci vymysleli způsob, jak by tohle odpadní teplo mohli zužitkovat. Jejich nová technologie ho přemění na elektřinu. Infračervené záření má velice krátké vlnové délky. Proto k jeho zužitkování Shamim a spol. potřebovali nesmírně malé antény a ještě ke všemu museli využít podivuhodného kvantového jevu, takzvaného kvantového tunelování (quantum tunnelling).


Kvantové tunelování, čili tunelový jev, představuje známý fenomén kvantové fyziky, při němž se částice dostane přes energetickou bariéru, aniž by k tomu měla dostatek energie. Jako kdyby se provrtala skrz. Kvantová mechanika totiž takové částici umožňuje, aby s určitou pravděpodobností prošla bariérou, jako by se nechumelilo.

 

Jak funguje teraherzová nanoanténa. Kredit: Atif Shamim / KAUST.
Jak funguje teraherzová nanoanténa. Kredit: Atif Shamim / KAUST.

Právě tunelový jev pomohl Shamimovi a jeho kolegům s těžbou elektřiny z odpadního tepla planety. Vytvořili totiž nanoantény, v nichž se elektrony mohou provrtat bariérou v MIM (metal-insulator-metal) diodě. Oficiálně k tomu nemají dost energie, ale zvládnou to díky tunelovému jevu. A takové nanoantény generují elektřinu z infračerveného záření. Pracují přitom na frekvenci 28,3 THz.

 

Aby tato technologie fungovala, tak vědci museli velmi přesně vytvořit a umístit kovová ramena nanoantény, která jsou z titanu, a mezi ně umístit tenký film z izolantu. V KAUSTu mají ale dobré přístroje a šikovné nanoinženýry, takže to dokázali. Jejich technologie úspěšně zachytává infračervené záření a generuje elektřinu.


Co s takovou technologií? Možnosti jsou veliké. Standardní solární panely obvykle zužitkují jen výsek spektra viditelného záření. Pokud by solární panely vyráběly elektřinu z infračerveného záření, byla by z toho revoluce v produkci energie. Velký průlom, který změní pravidla hry. A co také jistě stojí za zmínku, solární panely s touto technologií by pracovaly prakticky nonstop. Dnem i nocí, za sucha i za deště.


Těžba elektřiny z odpadního tepla planety je očividně velmi slibná. Vědci ale přiznávají, že ještě bude nutné vyřešit celou řadu technických obtíží. Například, ve své současné podobě není nanoanténa nijak zvlášť energeticky účinná. Jak ale říká Shamim, tohle je teprve začátek. Mohla by z toho být infračervená budoucnost.

Video:  Inkjet Printed RF electronics / Atif Shamim



Literatura

KAUST 4. 2. 2018, Materials Today Energy 7: 1–9.

Datum: 08.02.2018
Tisk článku

302 Found

Found

The document has moved here.


Apache/2.4.18 (Ubuntu) Server at knihy.abz.cz Port 80
"> -
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní:  Kč
cena:  Kč
302 Found

Found

The document has moved here.


Apache/2.4.18 (Ubuntu) Server at knihy.abz.cz Port 80
" style="color:#5599bb;font-weight:bold;">

Související články:

Elektřina ze ztracené energie mikrovln     Autor: Stanislav Mihulka (09.11.2013)
Nové polovodičové nanokrystaly zmenší noktovizory     Autor: Stanislav Mihulka (15.01.2017)
Převratné terahertzové mikročipy nabízejí nový pohled skrz hmotu     Autor: Stanislav Mihulka (16.02.2017)



Diskuze:

Asi před padesáti lety jsem dělal pokusy,

Karel Rabl,2018-02-23 12:45:01

na přechodu s uhlíkem a bronzem(chtěl jsem vytvořit svítivou diodu), při přiložení napětí toto svítilo slabě červeně a "proud" si to odebíralo i z okolního tepla nyní jsem si, na ten ani nevím proč "neúspěšný" pokus vzpomněl.

Odpovědět

Pláčete hezky, ale na nesprávném hrobě

Petr Slavik,2018-02-15 11:07:58

V makroskopických systémech platí makroskopické zákony mezi makroskopickými fyzikálními veličinami. Fyzikální veličina je jednotou kvality a kvantity fyzikální veličiny.

Makroskopické veličiny jsou střední kvadratické hodnoty mikroskopických veličin.

Makroskopické zákony neplatí v mikrosvětě!

V mikrosvětě platí zákony mikrosvěta!

Více:

Petr Kulhánek: Vybrané kapitoly z teoretické fyziky, AGA

https://youtu.be/NXAonjw-on0

http://www.aldebaran.cz/studium/images/kvantovka_vid.gif

https://www.youtube.com/playlist?list=PLYYRBJzen2aAvDnfKRE4yXTggEG-8MihM

Elementární fyzika pevných látek Kraus Ivo - Fiala Jaroslav ČVUT v Praze 2016

Odpovědět

Proste to nejde

Jan Jakub Mikl,2018-02-13 00:16:17

Tak tohle je jedinecnej priklad toho jak dostat grant. Tvrdit, ze jsem prekonal primarni zakony. Dodat jen pulku faktu a pohdlne si z toho grantu zit deset let. Proste kdyz neco nemuze fungovat, tak to proste nemuze fungovat. Ani kdyby tech antenek meli hromady.

Odpovědět

Je to fotodioda

Jan Poslušný,2018-02-10 12:26:53

Pokud tomu správně rozumím, vyvinuli fotodiodu v infračervené oblasti.

Odpovědět


Re: Je to fotodioda

Josef Hrncirik,2018-02-11 18:59:05

Žiji v dojmu, že fotodiody v IČ jsou běžné a určitě mají účinnosti větší než 0,01.
Zde navrhli a sestavili antény pro příjem 10,6 um IČ na čipu s usměrňovačem pro tuto frekvenci. Optimalizovaná anténa měla účinnost jen 11% při návrhové frekvenci, ale i jen 1% při frekvenci 112% návrhové. Anténa měla impedanci cca 55 OHM. Usměrňovač cca 100kOHM a kapacitu 1,1 fF. Nepřízpůsobení impedancí antény a usměrňovače propustilo jen 2,24.10**-3 energie. Z toho dále RC vazbou prošlo 8,57.10**-3 energie, tj. celkově 0,11.1,92.10**-5 tj. jen 2,11.10**-6 energie ozařující plochu antény. Na svorkách usměrňovače naměřili DV cca 80 nV a šum cca 50 nV, pokud anténa byla ozařována 3W/cm2 IČ CO2 laserem 10,6 um. Pokud by zátěž byla přizpůsobena 100 kOHM usměrňovače, mohla by odebrat až 2,1.10**-20 W. Celková účinnost ale klamavě použila účinnost antény 100% a přesto byla jen 1,75.10**-14. S anténou tedy jen 1,93.10**-15.
Protože se k tomu téměř přiznali a navíc poděkovali i čínským špionům, kteří jim justovali optickou sestavu a dělali SEM snímky (i když ve fig.8 tvrdili, že kurzor je široký 200 nm, v trojnásobném rozporu s měřítkem); král Abdullah velkoryse upustil od hrdelních trestů i vzhledem k tomu, že v 10.1109/jphotov.2018.2791421 který ae zabývá nejmodernějšími MIIM diodami dobře impedančně přizpůsobenými není ani zmínka o kapacitě či frekvenci, jen že to jsou dobré harvistory.

Odpovědět


Spasí Vás rozměrová analysa

Josef Hrncirik,2018-02-11 19:14:31

Zatímco v čl. vědců ze SAE se v definici diode responsibility ztratilo pouze nazvání veličiny beta v r. 2 na s.5,
její správnou definici v USA IEEE žurnálu se Amině Belkadi nepodařilo prosadit a vnucená definice na s.2 (pro jistotu nečíslovaná) sice zvládla symbol beta, ale nikoliv správný rozměr.

Odpovědět

Hmmm...

Pavel A1,2018-02-09 19:21:43

Tak za prvé, zaplať přírodo, že Země vyzařuje milióny gigawattů. Nebýt toho, tak se tady během okamžiku uškvaříme.

A za druhé, druhý termodynamický zákon se oblafnout nedá. Toto zařízení je postavené na podobném principu, jako letitý návrh na perpetuum mobile druhého druhu využívající Brownův pohyb (v kapalině se nechají brownovat malé magnety, nad kapalinu se umístí vodič s diodou). Nefungovalo to tenkrát a nebude to fungovat ani teď.

Odpovědět


Re: Hmmm...

Václav Dvořák,2018-02-09 22:54:24

Zajímavé, nefungovalo to a jako proč? Osobně bych si tipnul, že ztráty v nějakém tehdejším mechanickém převodu byly větší než předaná energie. Ale co kdyby v tom byly nanosondy propojené nanodrátkem? A co pak řeknete na tohle https://phys.org/news/2018-01-efficiency.html ?

Co se týká tohoto, tak pokud jsou úspěšná tepelná čerpadla, tak čistě selským rozumem bych tipoval, že by mohlo fungovat i toto řešení.

Odpovědět


Re: Re: Hmmm...

Josef Hrncirik,2018-02-10 07:54:06

Pravděpodobně i na VŠZ se v době nesvobody vyučovala II. věta.

Odpovědět


Re: Re: Hmmm...

Pavel A1,2018-02-10 10:07:08

Tam žádné mechanické převody nejsou zapotřebí - dala by se tím třeba přímo nabíjet baterka.

Nefunguje to proto, že k tepelným fluktuacím nedochází je v té kapalině, kde atomy strkají do těch magnetů, ale i ve vodiči a v té diodě, kde zase občas nějaký elektron profluktuuje na druhou stranu. A když je to v tepelné rovnováze, tak ty profluktuované elektrony přesně vyruší proud generovaný tepelným pohybem těch magnetů.

Tady to bude to samé. Pokud to je v telené rovnováze, tak ty anténky také vyzařují tepelné záření (stejné, které přijmou) a ve výsledku nula od nuly pojde. Aby to fungovalo, musel byste ty anténky chladit a na to chlazení byste potřeboval více energie, než byste získal.

Tepelná čerpadla ohřívají teplejší těleso od chladnějšího, ale musíte k tomu dodat energii. Tady se chce ohřevem teplejšího tělesa od chladnějšího energie získat, a to druhá věta termodynamická zakazuje.

Odpovědět


Re: Hmmm...

Petr Matas,2018-02-10 10:16:23

Jak se vypořádali s druhým termodynamickým zákonem, píše Lukáš Rubáček níže.

Odpovědět


Re: Hmmm...

Pavel Aron,2018-02-10 13:16:47

Tak doba, kdy jsem se na VŠ učil fungování 2. termodynamického zákona je již poněkud vzdálená, takže mě berte spíše za laika, ale mám pocit, že srovnáváte nesrovnatelné. U Brownova pohybu byste odebíral vnitřní energii systému. U příkladu v článku jde o využití IČ záření zemského povrchu, který září zcela samovolně. A celému systému pak dlouhodobě stále dodává novou energii Slunce. Ale třeba to špatně chápu.

Odpovědět


Re: Re: Hmmm...

Pavel Aron,2018-02-10 13:23:00

A matně si pamatuji, že 2.termodynamický zákon se vztahuje na uzavřený systém. Tady jde o systém , kde se energie doplňuje z vnějšku.

Odpovědět


Re: Re: Re: Hmmm...

Pavel A1,2018-02-10 15:34:06

Druhý termodynamický zákon má mnoho různých, i když ekvivalentních, formulací.

- V uzavřeném systému entropie neklesá
- Nelze ohřát teplejší těleso od chladnějšího (všimněte si, tady se o uzavřeném systému nemluví)
- Nelze získávat energii trvalým ochlazováním tělesa (dtto)
- Existuje nejnižší možná teplota, absolutní nula (dtto)
- Nelze sestrojit tepelný stroj s vyšší účinností, než má Carnotův cyklus (tepelný stroj je otevřený systém)
- ...

V tomto případě se jedná o ohřívání teplejšího tělesa od chladnějšího. Aby se pomocí těchto antének dala získávat energie z tepelného záření Země, musí být chladnější než Země, jinak to fungovat nebude.

Odpovědět


Re: Re: Hmmm...

Milan Tuček,2018-02-20 13:33:50

Hmmm... rozumím tomu prd, ale když celému systému dodává enrgii Slunce a systém část energie vyzařuje (tedy ji odevzdává) a my ji zachytíme a vrátíme do systému zpět - nebude celková energie systému stoupat? Resp nepovede to k oteplování země?

Odpovědět


Re: Re: Re: Hmmm...

Josef Hrncirik,2018-02-21 13:17:12

Pro oteplování Země jsou rozhodující velké energetické toky. Příjem energie od Slunce je dán geologicky dlouhodobou aktivitou Slunce a jejím ev. kolísáním a oběžnou dráhou. Mocným faktorem je především albedo Země závisející na teplotě a vlhkosti atmosféry a iniciaci kondenzace vlhkosti do oblačnosti a srážek (prašnost, síra, NOx, ev. ionizace kosm. zářením... . Roli asi hrají i mořské proudy a typ vegetačního pokryvu a jeho stáří. Určitě jsou velikosti toků a jejich změny i ev. skleníkový efekt dobře odhadnuty a modelovány a lidské vlivy posuzovány.

Odpovědět

Pokud by se to dotáhlo k použitelnosti...

Pavel Hudecek,2018-02-09 13:04:28

Pár poznámek:
1. 28,3 THz je vrchol tepelného záření při 0 °C.

2. Má to divný vztah ke 2. termodynamickému zákonu:

- Ten v podstatě zakazuje možnost postavit tepelný stroj, který by přímo měnil teplo na vyšší formu energie. V zásadě připouští pouze získávání energie z transferu tepla, přičemž účinnost je limitována poměrem mezi absolutní teplotou ohřívače a chladiče. Vzhledem k tomu, že "běžné pozemské chladno" má řekněme 300 K, tak se z malých rozdílů cokoli získá velmi špatně. Chce to např. oheň v kotli.
- Ale tohle není tepelný stroj. Je to anténa a usměrňovač. Tedy radiotechnika, ne termodynamika. Jen se usměrňuje šum. To není nic proti ničemu.

3. Jenže ten 2. TDZ je mrška, co se nenechá jen tak zahnat. Projevuje se i tím, že pokud máme plošný tepelný zdroj záření, neexistuje způsob, jak ho soustředit z větší plochy na menší.

Když uděláme klasickou anténu, která je víceméně všesměrová, nemůže být větší, než asi 0,5 vlnové délky. Zvětšováním se stává stále směrovější, tzn. přijímá záření z menší a menší plochy.

Takže máme pidianténku (vlna má asi 10 µm), která umí chytat část velmi slabého záření, které vyzařují dost studená tělesa. Rostoucí teplotou si trochu pomůžeme, "naše" záření zesílí, ale ne moc, protože většina vyzařování se posouvá k vyšším frekvencím, které neumíme usměrnit.

4. Cesta k praktickému využití: Udělat těch antének s usměrňovači obrovské množství. Tzn. např. nějaké čipy přiměřené velikosti, kde bude na mm2 100x100 takových antének a usměrňovačů. Na čipu 1x1 cm (který není ještě moc drahý) se jich tedy vejde milion. Takové čipy dělat velmi tenoučké a "štosovat" na sebe (to záření nemusí přicházet z daleka, vyzařuje ho i samotný čip).

Řekněme, že čipy budou mít 0,1 mm, takže na metr se jich vejde 10 tisíc. To je štangle s 10 miliardama antének:-) a aktivní plochou 1 m2. Podle Stefan-Boltzmanova zákona, je výkon vyzařovaný z této plochy 315 W při 0°C. Dejme tomu, že z toho desítky % jsou na frekvencích od našich 28 THz níže. Jestli se (v budoucnu) podaří, aby usměrňovač měl 1 %, dávala by ta štangle něco v řádu 1 W.

To vlastně není špatné.

Tedy až na cenu: Když se bude nejlevnější Číňan hodně snažit, dostane se na 1 Kč/čip? Takže 1W za 10 tisíc Kč. Ale když přemýšlím o milionu antének, raději si představit cenu čipu jako megabitové flashky...

Odpovědět

Miliony gigawattů energie za každou sekundu?

Z Z,2018-02-08 22:17:17

Podle některých odhadů jde o miliony gigawattů energie za každou sekundu.

Asi by bolo dobré sa najprv zamyslieť, čo je výkon a čo energia.

Odpovědět


Re: Miliony gigawattů energie za každou sekundu?

Vojta Ondříček,2018-02-09 04:16:13

Odhadovat se nemusí, naši planetu zásobuje Slunce výkonem 175 milionů GW,
tedy 175 x 10^15 W tedy 175PW.

V dobách, ve kterých se informuje o výšce předmětu v počtech poschodí obytného domu, o hmotnosti předmětu v počtech autobusů a pod., mne už dávno množství energie v GW každou sekundu nerozčiluje. Elektrický proud není vidět a mnoho lidí si myslí, že neexistuje. Jiné by bylo, kdyby se jednalo o energii v koňo-sekundách.

Přesto si říkám, kdyby se podařilo takovou tunelo-diodovou věc realizovat ... a to s rozumnou účinností, ve formě panelu, tak by se tímto odčerpáním tepelné energie a přeměnou na elektrickou ten panel značně ochladil a nahradil by kompresory a výměníky ledniček. Opaneloval-li bych strop místnosti a vyrobenou elektrickou energii spotřeboval mimo tuto místnost, tak bych ji účinně ochladil, třeba i na -100°C.

Dovedu si představit takový Nautilus, získávající energii k pohonu vrtule z okolní vody (Jako to praktikoval Nemo) oplášťováním lodě výše zmíněným vynálezem. Akorát by se muselo dávat bacha i v Karibiku, aby přílišným odčerpáním tepelné energie z okolní vody tato nezamrzla.

Odpovědět


Perpetuum mobile druhého druhu?

Petr Matas,2018-02-09 07:21:31

Zdá se, že saúdský král právě zrušil druhý termodynamický zákon (2.TZ). Mocný to monarcha...

Ale nebojte, ten Karibik nezamrzne, protože odčerpaná energie se po všech přeměnách na elektřinu a mechanickou práci nakonec stane zase teplem a do vody se vrátí. Tedy pokud ji kabelem neodvedete třeba na pevninu...

A nebo že by přece jen 2.TZ neporušovali? Kde ale mají chladič, podstatně chladnější než ohřívač, kterým je zemský povrch? Pravda, vesmír má pouhé 3 K...

Odpovědět


Dočista dočista kvantitativně vytunelují KAUST

Josef Hrncirik,2018-02-09 08:13:54

Určitě to nemůže fungovat v izotermické soustavě s rovnovážným tepelným zářením.
V podstatě není problém v průmyslových zónách vystavět vysoké věže kosmických výtahů, které by fungovaly (jen na svém obvodu) jako termočlánky s teplým spojem u Země a studeným nad Ní.
Asi je tedy nutné, aby dokonalá anténní řada dokonale vázaných bezztrátových ?supravodivých IČ antén šla od Země do nebes jako obligátní Babylónská věž ?nad celou pevninou.
Nejspíš máme smůlu, že teplotní gradient je jen max. 9°C/km a s Ar atmosférou by se zlepší jen na cca 11 K/km. Bude tedy nutno postavit vedle II. Babylonskou věž metanovou s gradientem pod 9 K/km. Potom to určitě nebude nic proti něčemu.

Odpovědět


Kdyby to mohlo fungovat, rostliny by si v noci fotosyntetizovaly zářením cca 10 um

Josef Hrncirik,2018-02-09 08:20:56

s energií cca 0,1 e.V a čerpaly by energii H+ ionty až do rozdílu pH cca 0,1 V/(RT/F)= cca 2. Nejlépe v kaskádě a spřažením s ATP.

Odpovědět


Re: Dočista dočista kvantitativně vytunelují KAUST

Petr Matas,2018-02-09 10:37:52

Nestačila by jako chladič obloha? V infračerveném oboru je přece docela studená. I při pohledu ze zemského povrchu by měla být mnohem chladnější než povrch.

Odpovědět


Re: Perpetuum mobile druhého druhu?

Lukáš Rubáček,2018-02-09 10:33:19

Nebojte se. 2.TZ zůstal nedotčen. Jen roli chladiče převzala anténa a teplejšího ohřívače bylo dosaženo tím, že na anténu svítili IR laserem s výkonem 30kW/m2. (ekvivaletní teplotu takto vyzařujícího tělesa si můžete vypočítat). Energetické učinnost toho zázraku byla 2.05x10-14. IMHO na získávání energie z tepelného záření nesmysl. Pro přenos informace na THz vlnových délkách by to zajímavé být mohlo.

Odpovědět


Re: Re: Perpetuum mobile druhého druhu?

Josef Hrncirik,2018-02-13 09:10:08

Země při cca 14°C (cca 290K) ztrácí tepelným vyzařováním přijatý sluneční příkon, řekněme 1400/(2.2)W/m2; /cca albedo; povrch vyzařující koule/plocha průřezu = 350 W/m2 sálá při cca 290K. Sálání je úměrné T**4 (Štěpán Boltzman). Při ozařování antény 30 kW/m2 bude oproti Zemi příkon 30000/350 = 86x větší. Teplota tedy bude 86**0,25 x větší než 290K tj. 3,04.290 = 882K = 609°C. Při ustáleném stavu by tedy anténka asi zářila temně rudě jako mučící nástroj.
Pokud by byla použita jako (parní) kotel (raději Stirlingův), Carnotova účinnost by byla až 52%. Lepší je však provést černý odběr proudu z laseru, hlavně ve dne.
Sice tvrdí, že proud jim v anténě nevznikal termoelektricky (napětí sledovalo polarizaci světla), ale teplotní toky částečně asi taky.
Kdyby tam místo anténky dali teplý spoj termočlánku, nejspíš by snadno dosáhli účinnosti 0,01; tj. 0,1/2.10-15 = 5.10**13 vyšší než s usměrňovačem. Rovnoběžné nerovnovážné záření laseru navíc lze fokusovat a teplotu v dopadu lze zvýšit. Difúzní rovnovážné záření vážně fokusovat nejde.
Původně jsem si myslel, že na rozdupání návrhu bude zapotřebí cca 10 Oslů, zdá se že stačí 3.

Odpovědět


Re: Perpetuum mobile druhého druhu?

Jiří Novák,2018-02-09 10:34:16

A musejí nutně 2. TZ porušovat? Není to podobnější solárnímu panelu než termočlánku?

Mě by zajimalo jaký rozsah IR záření se dá tímhle způsobem zužitkovat. Jestli třeba půjde u táboráku nabíjet mobil, gpsku a spol., když tam bude dopadající tepelné záření mnohem vyšší, než jaké by poskytlo slunce.

Odpovědět


Re: Perpetuum mobile druhého druhu?

Petr Matas,2018-02-09 10:47:33

Při účinnosti v řádu 10^-14, jak píše Lukáš Rubáček výše, je to asi jedno...

Odpovědět


Re: Re: Perpetuum mobile druhého druhu?

Josef Hrncirik,2018-02-09 14:05:19

Nemyslím, pouze zaříkávám zlé.
V solárním panelu je ale gradient vysokoenergetického (nerovnovážného záření) a gradient teploty nutný pro jeho účinnost a vlastně vůbec funkci.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni


















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace