Физики в Школе Гарварда Технических и прикладных наук (МОРЯ) предполагают устройство, которое получило бы энергию от инфракрасной эмиссии Земли в космос.Нагретый солнцем, наша планета теплая по сравнению с холодным вакуумом вне. Благодаря недавним техническим достижениям исследователи говорят, что тепловая неустойчивость могла скоро быть преобразована во власть постоянного тока (DC), использовав в своих интересах обширный и неиспользованный источник энергии.
Их анализ термодинамики, практических проблем и технологических требований будет издан на этой неделе на Слушаниях Национальной академии наук.«Нисколько не очевидно, сначала, как Вы произвели бы мощность постоянного тока, излучая инфракрасный свет в свободном пространстве к холоду», говорит научный руководитель Федерико Капассо, профессор Роберта Л. Уоллеса Прикладной Физики и Винтона Хейз Старший Научный сотрудник в Электротехнике в МОРЯХ Гарварда. «Чтобы произвести энергию, испуская, не абсорбирующим светом, это странно. Это имеет смысл физически, как только Вы думаете об этом, но это очень парадоксально.
Мы говорим об использовании физики в наноразмерном для абсолютно нового применения».Сложное соглашениеCapasso – всемирно известный эксперт в физике полупроводников, фотонике и твердотельной электронике. Он co-invented инфракрасный каскадный квантом лазер в 1994, вел область разработки запрещенной зоны и продемонстрировал неуловимый квант, электродинамическое явление, названное отталкивающей силой Казимира – работает, для которого он получил Золотую медаль SPIE, европейский Физический Общественный Приз за Quantum Electronics и Оптику и Премию Яна Цзочральского за прижизненные достижения.
Его исследовательская группа, кажется, специализируется на строгом опросе предположений других физиков об оптике и электронике.«Середина IR была, в общем и целом, заброшенной частью спектра», говорит Кэпэссо. «Даже для спектроскопии, пока квантовый лазер каскада не появился, середину IR считали очень трудной областью, чтобы работать с. У людей просто были шоры на».Теперь, Capasso и его исследовательская группа предлагают что-то сродни фотогальванической солнечной батарее, но вместо того, чтобы захватить поступающий видимый свет, устройство произвело бы электроэнергию, выпустив инфракрасный свет.«У солнечного света есть энергия, таким образом, гелиотехника имеет смысл; Вы просто собираете энергию.
Но это не действительно настолько просто, и энергия завоевания от излучения инфракрасного света еще менее интуитивна», говорит ведущий автор Стивен Дж. Бирнс (AB ’07), постдокторант в МОРЯХ. «Не очевидно, сколько энергии Вы могли произвести этот путь, или стоит ли преследовать, пока Вы не садитесь и делаете вычисление».Как оказалось, власть скромна, но реальна.Как Бирнс указывает, «Устройство могло быть вместе с солнечной батареей, например, чтобы получить дополнительную мощность ночью, без дополнительной инсталляционной стоимости».
Два предложенных устройства – один макрос, один наноЧтобы показать диапазон возможностей, группа Кэпэссо предлагает два различных видов эмиссионных энергетических комбайнов: тот, который походит на солнечного теплового производителя электроэнергии и того, который походит на фотогальваническую клетку. Оба бежали бы наоборот.Первый тип устройства состоял бы из «горячей» пластины при температуре Земли и воздуха с «холодной» пластиной сверху его.
Холодная пластина, смотрение вверх, была бы сделана из очень эмиссионного материала, который охлаждается, очень эффективно излучая тепло к небу. На основе измерений инфракрасной эмиссии в Ламонте, Оклахома (как тематическое исследование), исследователи вычисляют, что тепловое различие между пластинами могло произвести несколько ватт за квадратный метр, день и ночь.
Хранение «холодного» кулера пластины, чем температура окружающей среды было бы трудным, но это устройство иллюстрирует общий принцип: различия в температуре производят работу.«Этот подход довольно интуитивен, потому что мы объединяем знакомые принципы тепловых двигателей и излучающего охлаждения», говорит Бирнс.Второе предложенное устройство полагается на перепад температур между наноразмерными электронными компонентами – диодами и антеннами – а не температура, которую Вы могли чувствовать рукой.
«Если у Вас есть два компонента при той же самой температуре, очевидно Вы не можете извлечь работу, но если у Вас есть две различных температуры, Вы можете», говорит Кэпэссо. «Но это хитро; на уровне электронных поведений объяснение намного менее интуитивно».«Ключ находится в этих красивых принципиальных схемах», добавляет он (см. изображение). «Мы нашли, что их считал прежде для другого применения – в 1968 Дж.Б. Ганн, изобретатель диода Ганна, используемого в полицейских радарах – и полностью похороненный в литературе и забытый.
Но пытаться объяснить их качественно приложило много усилий».Проще говоря, компоненты в электрической схеме могут спонтанно выдвинуть ток в любом направлении; это называют электрическим шумом. Диаграммы Ганна показывают, что, если подобная клапану электрическая деталь, названная диодом, при более высокой температуре, чем резистор, она выдвинет ток в единственном направлении, производя положительное напряжение. Группа Кэпэссо предполагает, что роль резистора могла играть микроскопическая антенна, которая очень эффективно испускает инфракрасную радиацию Земли к небу, охлаждая электроны в только что часть схемы.
Результат, говорит Бирнс, то, что «Вы получаете электрический ток непосредственно от радиационного процесса без промежуточного шага охлаждения макроскопического объекта».Согласно бумаге, единственное плоское устройство могло быть покрыто во многих из этих крошечных схем, указало на небо и раньше производило энергию.
Технологические проблемы – и обещаниеОптикоэлектронный подход, в то время как новый, мог быть выполнимым в свете недавних технических разработок – достижения в plasmonics, небольшой электронике, новых материалах как графен и нанофальсификации.
Команда Гарварда заявляет, что сила их исследования состоит в том, что это разъясняет остающиеся проблемы.«Люди работали над инфракрасными диодами в течение по крайней мере 50 лет без большого прогресса, но недавние достижения, такие как нанофальсификация важны для создания их лучше, более масштабируемы, и более восстанавливаемы», говорит Бирнс.Однако даже с лучшими современными инфракрасными диодами, есть проблема. «Чем больше власти, это течет через единственную схему, тем легче это должно заставить компоненты делать то, что Вы хотите.
Если Вы получите энергию от инфракрасной эмиссии, напряжение будет относительно низким», объясняет Бирнс. «Это означает, что очень трудно создать инфракрасный диод, который будет работать хорошо».Инженеры и физики, включая Бирнса, уже рассматривают новые типы диодов, которые могут обращаться с более низкими напряжениями, такими как туннельные диоды и баллистические диоды. Другой подход должен был бы увеличить импеданс компонентов схемы, таким образом повысив напряжение до более практического уровня. Решение могло бы потребовать и то и другое, Бирнс предсказывает.
Скорость представляет собой другую проблему. «Только избранный класс диодов может включить и выключить 30 триллионов раз в секунду, который является тем, в чем мы нуждаемся для инфракрасных сигналов», говорит Бирнс. «Мы должны иметь дело с требованиями к скорости в то же время, мы имеем дело с требованиями к напряжению и импедансу».«Теперь, когда мы понимаем ограничения и технические требования», добавляет Бирнс, «мы находимся в хорошем положении, чтобы работать над разработкой решение».
Ромен Бланшар, который закончил его доктора философии в МОРЯХ Гарварда, был также соавтором бумаги в PNAS. Это исследование было поддержано частично Университетом короля Абдуллы Науки и техники (CRG 1 2012 FRA 005 HAR).