Eine besondere Eigenschaft der Quantenwelt, die eine effiziente Energiegewinnung in einem kleinen Gerät ermöglicht

Wissenschaftler der University of Colorado Boulder haben die poltergeistähnliche Eigenschaft von Elektronen genutzt, um Geräte zu entwickeln, die überschüssige Wärme aus ihrer Umgebung aufnehmen und in nutzbaren Strom umwandeln können.

Die Forscher beschreiben ihre neuen “optischen Instrumente” in einem heute (18. Mai 2021) in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Naturkommunikation. Diese Geräte, die zu klein sind, um mit bloßem Auge gesehen zu werden, sind etwa 100-mal effizienter als ähnliche Werkzeuge zum Sammeln von Energie. Sie erreichten dieses Kunststück durch einen mysteriösen Prozess namens “Resonant Tunneling” – bei dem Elektronen einen Festkörper passieren, ohne Energie zu verbrauchen.

“Sie gehen wie Geister”, sagte die Hauptautorin Amina Belkadi, die kürzlich am Department of Electrical, Computer and Energy Engineering (ECEE) promovierte.

Sie erklärte, dass Rectennas (kurz für “modifizierte Antennen”) ein wenig wie Autoradioantennen funktionieren. Aber anstatt Radiowellen zu erfassen und in Töne umzuwandeln, absorbieren Gleichrichter Licht und Wärme und wandeln sie in Energie um.

Sie verändern auch die Welt der erneuerbaren Energien. Rectennas könnten theoretisch Wärme aus Fabrikstapeln oder Backöfen gewinnen, die sonst verschwendet würden. Einige Wissenschaftler schlugen sogar vor, diese Geräte auf Ballons zu installieren, die hoch über der Oberfläche des Planeten fliegen würden, um die Strahlungsenergie von der Erde in den Weltraum einzufangen.

Bisher konnte Rectinas jedoch nicht die Kompetenzen erreichen, die zur Erreichung dieser Ziele erforderlich sind. Vielleicht noch. In der neuen Studie haben Belkadi und ihre Kollegen die erste Netzhaut entwickelt, die Energie erzeugen kann.

“Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass Elektronen in einem optischen Modifikator, der Energie sammelt, durch einen Resonanztunnel gehen”, sagte sie. “Bisher war es nur eine theoretische Möglichkeit.”

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Der Co-Autor der Studie, Garret Moddel, ein ECEE-Professor, sagte, die Studie sei ein großer Fortschritt für diese Technologie.

“Diese Innovation ist ein wichtiger Schritt, um Rectina praktischer zu machen”, sagte er. “Im Moment ist der Wirkungsgrad sehr niedrig, aber er wird steigen.”

Unbezwingbares Problem

Auf diese Entwicklung hat sich Moddel, der das Buch buchstäblich auf diesen Geräten geschrieben hat, schon lange gefreut. Rectennas gibt es seit 1964, als Ingenieur William C. Brown Mikrowellen einsetzte, um einen kleinen Hubschrauber anzutreiben. Es handelt sich um relativ einfache Instrumente, die aus einer Antenne bestehen, die Strahlung absorbiert, und einer Diode, die diese Energie in Gleichstrom umwandelt.

Er sagte: “Es ist wie ein Funkempfänger, der Licht in Form von elektromagnetischen Wellen einfängt.”

Das Problem ist jedoch, dass die Rectina-Organe extrem klein sein müssen, um Wärmestrahlung und nicht nur Mikrowellen einzufangen – um ein Vielfaches dünner als ein menschliches Haar. Dies kann eine Vielzahl von Problemen verursachen. Je kleiner beispielsweise das elektrische Gerät ist, desto größer ist sein Widerstand, wodurch die vom Manometer abgegebene Leistung verringert werden kann.

“Dieses Gerät muss eine sehr niedrige Impedanz haben, aber es muss auch sehr lichtempfindlich sein”, sagte Belkady. “Alles, was Sie tun, um Ihr Gerät auf irgendeine Weise zu verbessern, wird das andere noch schlimmer machen.”

Mit anderen Worten, optische Korrekturwerkzeuge sahen jahrzehntelang wie ein unrentables Szenario aus. Bis Belkadi und ihre Kollegen, darunter auch die Postdoktorandin Aendra Weirakudi, eine Lösung fanden: Warum nicht dieses Hindernis ganz vermeiden?

Geisterhafte Lösung

Der Ansatz des Teams basiert auf einer seltsamen Eigenschaft im Quantenbereich.

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Belkadi erklärte, dass im traditionellen Maßstab Elektronen einen Isolator passieren müssen, um Energie zu erzeugen. Diese Isolatoren verleihen den Geräten einen hohen Widerstand und reduzieren die Anzahl der Elektriker, die sie erhalten können.

In der jüngsten Studie haben die Forscher jedoch beschlossen, ihren Geräten zwei Isolatoren hinzuzufügen, nicht nur einen. Diese Addition hatte einen unerwarteten Effekt bei der Erzeugung eines energetischen Phänomens, das als Quanten- “Brunnen” bezeichnet wird. Wenn die Elektronen mit genau der richtigen Energie auf diesen Brunnen treffen, können sie damit durch die beiden Isolatoren tunneln – Sie stoßen dabei auf keinen Widerstand. Es ist nicht anders als ein Geist, der ohne Sorge über eine Wand treibt. Ein Doktorand der Moddel-Forschungsgruppe hatte zuvor angenommen, dass ein solches spektrales Verhalten in rektalen Bildern möglich wäre, aber bisher konnte niemand dies beweisen.

“Wenn Sie Ihre Materialien richtig auswählen und sie in der richtigen Dicke erhalten, entsteht ein solches Energieniveau, bei dem die Elektronen keinen Widerstand sehen”, sagte Belkadi. “Sie sind nur gegangen, um zu vergrößern.”

Das bedeutet mehr Leistung. Um den gruseligen Effekt zu testen, stellten Belkadi und ihre Kollegen auf einer Kochplatte im Labor ein Raster von etwa 250.000 Netzhäuten in Form einer kleinen Fliege zusammen. Dann drehten sie die Hitze auf.

Die Geräte konnten weniger als 1% der von der Heizplatte erzeugten Wärme erfassen. Aber Belkadi glaubt, dass diese Zahlen nur steigen werden.

“Wenn wir verschiedene Materialien verwenden oder unsere Kondome wechseln, können wir das möglicherweise vertiefen”, sagte sie. “Je tiefer der Brunnen, desto mehr Elektronen werden ihn passieren.”

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Moddel freut sich auf den Tag, an dem Netzhautmaschinen auf allem sitzen, von Sonnenkollektoren am Boden bis hin zu Fahrzeugen, die leichter als Luft in der Luft sind: “Wenn Sie Strahlungswärme im Weltraum erfassen können, können Sie jederzeit und überall Energie haben.”

Referenz: 18. Mai 2021, Naturkommunikation.
DOI: 10.1038 / s41467-021-23182-0

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