Наша Земля постійно випромінює тепло – велику кількість досі невикористаної енергії. Чи можна використовувати це джерело енергії? Британські вчені дали ствердну відповідь: так, можна. Й розробили одночасно два методи втілення проекту в життя. Науковці підкреслюють, що виробництво електроенергії з теплового випромінювання планет не є наївною утопією. Про це вони повідомляють у журналі «Proceedings of the National Academy of Sciences».
Наша планета є джерелом теплової енергії. Питання в тому, як її використовувати?
Вітрові та сонячні електростанції є джерелом перетвореної енергії. Але їм бракує постійності. Коли сонце сідає, сонячні системи припиняють роботу. Коли вітер вщухає, зупиняються вітрові турбіни. Чи існує інше, постійне джерело живлення, яке могло б виробляти електрику в темряві ночі й при слабкому вітрі?
Фізики з Гарвардського університету взялися за дослідження нового й незвичного джерела енергії: сильне та досі неоцінене інфрачервоне випромінювання, яке виробляє Земля. В порівнянні з холодним вакуумом космічного простору, вона є теплою. Велика частина енергії сонячного світла відбивається від поверхні Землі й у вигляді довгохвильового інфрачервоного випромінювання і потрапляє назад у космос. Це випромінювання лежить у діапазоні середнього інфрачервоного випромінювання – й, отже, в області спектра, на який досі не зважали та який досі не має практичного застосування. «Поки не ясно, скільки енергії можна отримати з інфрачервоного випромінювання Землі або ж чи є сенс працювати в цьому напрямку – потрібно сісти та все підрахувати», – сказав співавтор дослідження Стівен Дж. Бернс з Гарвардського університету.
Саме ці розрахунки здійснювали дослідники з Гарварду. Вони безпосередньо змогли розробити дві технології, які доможуть зробити інфрачервоне випромінювання Землі придатним для генерування електрики. Перший варіант подібний до принципу функціонування генератора сонячної теплової потужності; другий – використовує специфіку фотоелектричної комірки.
Для першої технології потрібні дві пластини: «гаряча», температури Землі, й «холодна», яка розташована на першій. Холодну пластину виготовляють з високоемісійного матеріалу, який ефективно випромінює тепло й при цьому охолоджується. Цей ефект називають радіаційним охолодженням. Оскільки верхня пластина не схильна до нього, виникає градієнт температури – і звідси можна здобути енергію. На основі дослідження, в процесі якого вимірювали інфрачервоне випромінювання Землі в Оклахомі, дослідники підрахували, що така система може генерувати струм від декількох ват на квадратний метр. Складним для науковців є завдання зберегти холодну пластину холоднішою від температури навколишнього середовища. Проте їхні дослідження показують загальний принцип: відмінності в температурі можуть виробляти електроенергію, – розповідають учені. «Отже, ми об'єднали відомі принципи теплового двигуна та радіаційного охолодження», – говорить Бернс.
Другий варіант також використовує різницю температур, але вже між двома електронними компонентами: діодами та антенами. З фізики відомо, що діод здатний генерувати позитивну напругу, якщо має вищу температуру, ніж резистор. Цей принцип використали Федеріко Капассо з Гарвардського університету та його команда.
В цій моделі функцію опору перебирає мікроскопічна антена, яка дуже ефективно відправляє в небо інфрачервоне випромінювання. Через сильне випромінювання антена охолоджується сама, й температура опору діодів падає. «Так в підсумку можна отримувати електроенергію безпосередньо з процесу випромінювання без охолодження макроскопічного об'єкта на проміжному етапі», – розповідає Бернс. За словами дослідників, власне другу технологію можна добре зреалізувати, особливо з огляду на останні технологічні досягнення в області мікроелектроніки та нанотехнологій.
Ідея використовувати теплове випромінювання планети як джерело енергії в жодному випадку не є утопічною. Звичайно, деякі перешкоди ще потрібно подолати. «Чим більше струму тече через одне коло напруги, тим легше керувати системою. Але якщо генерувати енергію інфрачервоного випромінювання Землі, тоді напруга буде відносно низькою», – пояснює Бернс. – «Це означає, що інфрачервоний діод, який надійно працюватиме, буде важко розробити».
Зараз інженери та фізики розробляють нові типи діодів, які працюють надійно й при низькій напрузі, як, наприклад, тунельний діод чи балістичний діод. Інший варіант вирішення проблеми полягав би в тому, щоб підвищити напругу до практичного рівня сучасних діодів. Цього можна досягнути, наприклад, покращивши електричні характеристики опору, так званого імпедансу. «Нам знадобиться і те, й інше», – прогнозує Бернс.
Ще одним викликом буде швидкість. «Тільки жменьку діодів можна сьогодні перемикати 30 трильйонів раз в секунду, а така швидкість нам потрібна для інфрачервоних сигналів. Отже, разом з властивостями напруги та опору системи, мусимо зважати також на підвищення швидкості діодів, – говорить Бернс. – Оскільки зараз нам відомі всі взаємозв’язки специфікацій, то ми перебуваємо в сприятливому становищі для роботи над життєздатним рішенням», – оптимістично додає він.
15.03.2014