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 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.

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.