Знания о графене, как источнике получения энергии, расширяются, и прикладное использование его в энергогенерирующих системах не за горами. Тот факт, что графен способен вырабатывать электрический ток с помощью окружающей среды, случайно обнаружили физики Университета Арканзаса (США), и не случайно его использовали для создания инновационного источника генерации постоянного тока ученые и инженеры научно-исследовательской немецко-американской компании Neutrino Energy Group.
Оказалось, что графен (двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. Атомы углерода находятся в sp?-гибридизации и соединены посредством s- и p-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решетку), не могут существовать в 2D-плоскости.
Чтобы существовать отдельно друг от друга, графен должен вести себя как трехмерный материал для обеспечения необходимой стабильности. Оказалось, что «лазейкой» является смещение подвижных атомов, что и придает графену свойства третьего измерения. Иными словами, графен никогда не был 100 % плоским — он вибрировал на атомарном уровне так, чтобы его соединения не подвергались спонтанному распаду. Группа физиков Манчестерского университета под руководством Пола Тибадо доказала, что дело в так называемых «полетах Леви» — шаблонах небольших случайных колебаний, сочетающихся с внезапными, резкими сдвигами. В атомном масштабе физики видели их впервые. Измеряя скорость и масштаб этих графеновых волн, Тибадо предположил, что их можно использовать для извлечения энергии из окружающей среды.
Разместив электроды с обеих сторон секции такого графена, был получен крошечный генератор. Согласно расчетам, графен размером 10х10 микрон обладает мощностью в 10 микроватт. Это немного для прикладного использования такого эффекта. Однако ученые Манчестерского университета зафиксировали и подтвердили сам факт возможности получения электрического тока на единичном слое графена.
Для оценки технологической возможности использования графена в целях получения энергии из окружающего пространства очень важно оценивать силу взаимодействий между электронами в структуре, называемой витым двухслойным графеном, которая создается путем корректировки непосредственного окружения, что является главным достижением для перестраиваемой электронной квантовой материи. В 2018 году было обнаружено, что структура, известная как двухслойный графен с закрученным магическим углом (MATBG), имеет узкую полосу энергии электронов, в которой особенно важны электронные взаимодействия. MATBG принадлежит к исключительной группе материальных платформ, в которых плотность электронов может быть настроена для переключения между изолирующим и сверхпроводящим состояниями. В статье «Nature» Степанов и др. и Arora и др. сообщают, что сила взаимодействия электронов в MATBG может быть настроена при фиксированной электронной плотности с помощью специальной конструкции диэлектрической (изолирующей) среды.
В большинстве слоистых проводящих материалов электронная плотность является единственным параметром, который может быть настроен экспериментально для изменения силы взаимодействия. Степанов и др. и Arora и др. показали, что сила взаимодействия электронов в MATBG может быть настроена при фиксированной электронной плотности. MATBG включает в себя два слоя графена (двумерные листы атомов углерода), которые уложены друг на друга с помощью шестиугольных решеток, повернутых без совмещения на угол около 1,1°. Атомы образуют периодическую структуру, называемую муаровой структурой, в которой пространственная протяженность элементарной ячейки (наименьшей повторяющейся единицы) и, следовательно, электронных орбиталей, связанных с узкой энергетической зоной электронов, составляет не более 15 нм. Поскольку эти орбитали намного больше, чем в обычных электронных материалах, диэлектрическая среда MATBG может сильно влиять на электронное экранирование и, следовательно, на электронные взаимодействия.
Теоретические и первые опытные данные по свойствам графена и технологии изготовления устройств, которые позволяют создать действующую технологию получения электрического тока, были развиты и углублены параллельно учеными немецко-американской научно-технологической компании Neutrino Energy Group под руководством Хольгера Шубарта. Технология получила название Neutrinovoltaic. Компания продвинулась далеко вперед относительно работ всех других исследователей и прикладного применения знаний в этой области и закрепила свой бесспорный приоритет, получив международный патент под номером WO2016142056A1 в создании электрогенерирующих устройств под воздействием различных излучений.
Так же, как и в случае недавно открытого трехслойного графенового сверхпроводящего материала, в основе Neutrinovoltaic технологии, разработанной Шубартом и учеными компании, лежит использование сверх тонких слоев графена для создания резонанса от проходящих излучений искусственного и естественного происхождения, включая космические нейтрино, и преобразования этой кинетической энергии в электрический ток. Для достижения необходимого эффекта на подложку из металлической фольги наносится в несколько слоев графен и легированный кремний и при прохождении излучений через эту комбинацию слоев кремния и графена стартует гармонический резонансный процесс, который затем регистрируется электрическим преобразовательным устройством. Покрытая сторона металлического носителя представляет собой положительный полюс, а непокрытый – отрицательный. Многослойное покрытие позволяет получить больше энергии с единицы площади, что является крайне важным для создания промышленных электрогенерирующих изделий – это обеспечивает возможность изготавливать компактные источники тока различных мощностных характеристик и размеров, что позволяет размещать их внутри корпусов практически всех приборов, которые требуют электропитания. Несколько листов фольги с нанесенным инновационным наноматериалом, размещенных друг над другом, как пачка писчей бумаги, а значит соединенных последовательно, составляют энергетическую ячейку. При варьировании соединением нескольких энергетических ячеек создается источник постоянного тока необходимых габаритных размеров и мощностных характеристик. Источник постоянного тока размером «с дипломат», имеет выходную мощность от 4,5 до 5,5 кВт?ч. Такие компактные габаритные характеристики позволяют создавать автономные источники тока для электроснабжения в том числе отдельных домов и электромобилей.
Теоретические фундаментальные основы технологии и примеры ее применения подробно изложены в первом, уникальном в своем роде, учебном пособии «Вечный Свет – начало новой эпохи» профессора, доктора наук, экс-федерального министра транспорта Германии, члена Научного Совета Neutrino Energy Group, Гюнтера Краузе. Книга уже вышла на немецком языке, в сентябре 2020 года выходит на русском языке, в октябре 2020 года – на английском языке, а в следующем году планируется ее выход на испанском языке. Ее можно приобрести онлайн в издательстве Weltbuch под номером ISBN13 9783906212562.
Независимо параллельно проведенные различными научными центрами исследования свойств графена показывают безусловную перспективность применения графена для создания экологически чистых источников постоянного тока и создания на их основе распределенной системы электроснабжения, не требующей централизованного электроснабжения. Neutrino Energy Group сделала первый успешный шаг в этом направлении, показав насколько близко к реальному воплощению, казалось бы, фантастическая идея преобразования энергии электромагнитных излучений в постоянный ток. Материал с уникальными свойствами – графен – и прогрессивное развитие научной мысли делают это возможным.
Автор: Румянцев Л.К., к.т.н.