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Gli scienziati hanno creato i “rettangoli ottici” più efficienti al mondo, dispositivi che raccolgono energia dal calore

Gli scienziati dell’Università del Colorado Boulder hanno sfruttato la proprietà del poltergeon degli elettroni per progettare dispositivi in ​​grado di catturare il calore in eccesso dal loro ambiente e convertirlo in elettricità utilizzabile.

I ricercatori descrivono i loro nuovi “strumenti ottici” in un documento pubblicato oggi sulla rivista Nature Communications. Questi dispositivi, che sono troppo piccoli per essere visti ad occhio nudo, sono circa 100 volte più efficienti di strumenti simili utilizzati per raccogliere energia. Hanno raggiunto questa impresa attraverso un misterioso processo chiamato “tunneling risonante” – in cui gli elettroni passano attraverso il solido senza spendere alcuna energia.

Principali lacune

  • Il rettangolo ottico potrebbe essere un punto di svolta per l’energia rinnovabile, consentendo agli ingegneri di raccogliere l’energia dal calore che fluisce dalla Terra nello spazio.
  • Questi dispositivi funzionano un po ‘dalle antenne delle auto, ma catturano la luce e il calore e li convertono in elettricità.
  • In un nuovo studio, i ricercatori riferiscono di aver creato i primi dispositivi di misurazione ottica al mondo in grado di generare energia.

“Vanno come fantasmi”, ha detto la scrittrice principale Amina Belkadi, che ha recentemente ottenuto un dottorato di ricerca presso l’università. Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Informatica ed Energetica (ECEE).

Ha spiegato che Rectennas (abbreviazione di “antenna modificata”) funziona un po ‘come le antenne delle autoradio. Ma invece di catturare le onde radio e convertirle in toni, i raddrizzatori assorbono luce e calore e li convertono in energia.

Sono anche un punto di svolta nel mondo delle energie rinnovabili. Rectennas potrebbe, in teoria, raccogliere il calore dalle ciminiere delle fabbriche o dai forni da forno che altrimenti andrebbero sprecati. Alcuni scienziati hanno persino suggerito di installare questi dispositivi su palloncini che volerebbero in alto sopra la superficie del pianeta per catturare l’energia radiante dalla Terra nello spazio.

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Tuttavia, ad oggi, Rectinas non è stata in grado di raggiungere le competenze necessarie per raggiungere questi obiettivi. Forse ancora. Nel nuovo studio, Belkadi e i suoi colleghi hanno progettato la prima Retina in assoluto in grado di generare energia.

“Abbiamo dimostrato per la prima volta che gli elettroni passano attraverso un tunnel risonante in un modificatore ottico che raccoglie energia”, ha detto. “Finora, era solo una possibilità teorica”.

Il coautore dello studio Garret Moddel, un professore ECEE, ha detto che lo studio è un importante progresso per questa tecnologia.

“Questa innovazione rappresenta un passo importante per rendere Rectina più pratica”, ha affermato. “Al momento, l’efficienza è veramente bassa, ma aumenterà”.

Problema indomabile

È un’evoluzione fatta da Moddel, che ha letteralmente scritto il file Prenota questi dispositivi, Non vedeva l’ora di molto tempo. Rectennas esiste dal 1964, quando l’ingegnere William C. Brown usava le microonde per alimentare un piccolo elicottero. Sono strumenti relativamente semplici, costituiti da un’antenna che assorbe la radiazione e un diodo che converte quell’energia in correnti di corrente continua.

Ha detto: “È come un ricevitore radio che cattura la luce sotto forma di onde elettromagnetiche”.

Il problema, tuttavia, è che per catturare la radiazione termica e non solo le microonde, gli organi della Rectina devono essere molto piccoli, molte volte più sottili di un capello umano. Ciò può causare una serie di problemi. Più piccolo è il dispositivo elettrico, ad esempio, maggiore è la sua resistenza, che può ridurre la potenza erogata dal manometro.

“È necessario che questo dispositivo abbia un’impedenza molto bassa, ma deve anche essere molto reattivo alla luce”, ha detto Belkady. “Qualunque cosa tu faccia per migliorare il tuo dispositivo in qualche modo peggiorerà l’altro.”

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In altre parole, per decenni, gli strumenti di correzione ottica sono sembrati uno scenario non redditizio. Questo fino a quando Belkadi ei suoi colleghi, tra cui la ricercatrice post-dottorato Aendra Weirakudi, hanno trovato una soluzione: perché non evitare completamente questo ostacolo?

Soluzione spettrale

L’approccio del team si basa su una strana proprietà nel regno quantistico.

Belkadi ha spiegato che nella scala tradizionale, gli elettroni devono passare attraverso un isolante per generare energia. Questi isolanti aggiungono molta resistenza ai dispositivi, riducendo la quantità di elettricità che gli ingegneri possono ottenere.

Ma nell’ultimo studio, i ricercatori hanno deciso di aggiungere due isolanti ai loro dispositivi, non solo uno. Questa aggiunta ha avuto un effetto inaspettato nella creazione di un fenomeno energetico chiamato “pozzo” quantistico. Se gli elettroni colpiscono questo bene solo con la giusta energia, possono usarli per scavare un tunnel attraverso gli isolanti – non incontrano alcuna resistenza nel processo. Non è diverso da un fantasma che va alla deriva su un muro senza preoccupazioni. Uno studente laureato del gruppo di ricerca Moddel aveva precedentemente ipotizzato che tale comportamento spettrale sarebbe stato possibile nelle immagini rettali, ma finora nessuno è stato in grado di dimostrarlo.

“Se scegli i tuoi materiali correttamente e li ottieni nel giusto spessore, si crea questo tipo di livello di energia in cui gli elettroni non vedono resistenza”, ha detto Belkadi. “Sono andati solo per ingrandire.”

Ciò significa più potenza. Per testare l’effetto spettrale, Belkadi ei suoi colleghi hanno assemblato una griglia di circa 250.000 retina, sotto forma di un piccolo farfallino, su una piastra calda in laboratorio. Poi hanno alzato il fuoco.

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I dispositivi sono stati in grado di catturare meno dell’1% del calore generato dalla piastra calda. Ma Belkadi pensa che questi numeri non potranno che aumentare.

“Se usiamo materiali diversi o cambiamo i nostri preservativi, potremmo essere in grado di renderlo più profondo”, ha detto. “Più profondo è il pozzo, più elettroni lo attraverseranno.”

Moddel attende con impazienza il giorno in cui le macchine della retina siedono su tutto, dai pannelli solari a terra ai veicoli più leggeri dell’aria nell’aria: “Se riesci a catturare il calore radiante nello spazio profondo, puoi avere energia sempre e ovunque”.