Найефективніші в світі оптичні антени (ректенни) здатні збирати в 100 разів більше енергії з відпрацьованого тепла в порівнянні з аналогічними пристроями. Нова розробка, в якій використовувався нестандартний підхід, обіцяє принести практичну цінність. Наприклад, за допомогою таких антен можна перетворювати в енергію тепло від труб, батарей та інших джерел.
Ректенна (rectifying antenna в перекладі з англ. «випрямляюча антена») – це нелінійна антена, яка перетворює енергію поля електромагнітної хвилі в енергію постійного струму. Ці пристрої вловлюють електромагнітні хвилі подібно автомобільним антен, які чутливі до радіохвиль.
Коли антена випрямляча приймає сигнал, вона генерує коливальні заряди, які проходять через підключені випрямні діоди. Ці випрямлячі згодом перетворять коливання в постійний електричний струм.
Теоретично ректенни можуть збирати енергію з тепла, яке зазвичай витрачається даремно.
Наприклад, ректенни могли б перетворити в енергію тепло, що виходить від заводських труб або навіть гарячої плити, їх можна також додавати до сонячних панелей, щоб отримувати ще більше енергії. Вчені не виключають того, що використання ректенн здатне допомогти навіть в боротьбі зі змінами клімату.
Однак не все так просто. Ефективність перетворення оптичних антен виявилася занадто низькою, щоб зробити їх корисними для таких сценаріїв. Проблема в тому, що для уловлювання теплового випромінювання ректенни повинні бути надзвичайно крихітними, але чим вони менші, тим вище їх опір і тим нижче їх вихідна потужність.
Вчені з Колорадського університету в Боулдері (США) знайшли спосіб істотно підвищити ефективність оптичної ректенни за допомогою квантового ефекту, еквівалентного проходженню електронів крізь стіни. Дослідження було опубліковане в журналі Nature Communications.
У звичайних ректеннах електрони для вироблення енергії повинні проходити через ізолятор (діелектрик). Ці ізолятори додають великий опір, зменшуючи кількість електрики, яку можуть робити пристрої.
Використовуючи нелогічну стратегію, дослідники додали до своїх антен два ізолятори замість одного. Вони з’ясували, що якщо вибрати правильну товщину і матеріали діелектрика, то в результаті вийде так звана «квантова яма» – вузький тунель, по якому електрони можуть рухатися, не відчуваючи при цьому опору. Так вчені вперше довели, що резонансне тунелювання електронів можливе за допомогою оптичних ректенн.
Зображення оптичної ректенни, отримане за допомогою скануючого електронного мікроскопа. Зображення: Moddel Lab
Учені випробували понад 250 тис. ректенн з різних матеріалів – нікелю, хрому, золота та ін. Всі пристрої продемонстрували ефективність перетворення в 100-1000 разів більше, ніж попередні оптичні антени.
Проте, у нових ректенн цей показник все одно залишається невеликим – всього 0,001%. Тому дослідникам все ще належить пройти довгий шлях.
Один з можливих способів подальшого підвищення ефективності оптичної антени – експерименти з різними матеріалами, через які може проходити більша кількість електронів. Вчені не виключають, що їм вдасться підвищити ефективність перетворення ще в 1000 разів.
