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量子トンネリングを用いて地球の熱から電気を回収できます


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私達は、量子トンネリングを用いて地球の熱から電気を回収できます

( 図 フレア Pixabay)  (Fig.) アーティクル・イメージ

 

研究者達は、余剰な赤外線や廃熱を電気に変換して使用することで、地球からエネルギーを収穫する方法を思いつきました。

この概念は、トンネル効果[量子トンネリング]の奇妙な物理学を含み、このアイデアの鍵は、高周波の電磁波として廃棄物や赤外線の熱を検出できる特別に設計されたアンテナであり、これらの数百万分の1秒の波信号を直接電気へ変換します。

実際には、地球上で多くのエネルギーが浪費されています。惑星にそそぐほとんどの太陽光は、表面、海、そして大気によって吸収されます。

この暖める効果は、毎秒何百万ギガワットにもなると推定される、赤外線放射の絶え間ない漏出をもたらします。

赤外線の波長は非常に短いので、それらを利用するには超小型のアンテナが必要です。新しい研究の背後にある国際的な研究者チームによれば、それはトンネル効果で要なブレークスルー[画期的な突破口]を提供することがてきます。

「このような高周波で動作できる商用ダイオードは世界にはない」と、サウジアラビア(Saudi Arabia)のキング・アブドラ科学技術大学(King Abdullah University of Science and Technology、KAUST)のリード研究者、アティフ・シャムニ(Atif Shamim)氏は述べています。「そういうわけで、トンネル効果に目を向けるのです」

トンネル効果は、量子力学においてよく確立された現象であり、粒子は、十分なエネルギーを持たずにバリアを通過することができます。

最も頻繁に使用される例の1つは、ボールが丘の上を転がることです。古典物理学では、丘を登って反対側に出るためには、ボールはその背後に一定量のエネルギーを必要とします。

しかし、量子物理学では、ボールは総ての量子の中心にある位置の不確実性のおかげで、より少ないエネルギーで丘をトンネル[貫通]することができます。

これは、ナノスケール・アンテナの構築にどのように役立つでしょうか。これは、電子が、金属-絶縁体-金属(MIM、metal-insulator-metal)ダイオードのようなトンネリング装置を介して小さな障壁を通って移動することを可能にし、途中で赤外線を電流に変換します。

科学者達は新しいボウタイ形状(bowtie-shaped)のナノアンテナを作り出すことができました。それは、金とチタンから作られた2つのやや重なり合った金属アームの間に薄い絶縁体フィルムを挟んだもので、トンネリングの動作に必要な強電場を発生させることのできるデバイス[器具]となります。

 

(Fig.1) ダイオード部のイメージ (KAUST)

 

KAUSTの研究員の1人、ガウラフ・ジャヤスワル(Gaurav Jayaswal)氏は次のように述べています。「最も挑戦的なのは、2つのアンテナ・アームがナノスケールでの重なりで、とても正確なアライメント[精密な調整]が必要でした。」

「それにもかかわらず、KAUSTのナノファブリケーション施設で高度なツールと賢い技を組み合わせることで、このステップを達成しました。」

新たに作成されたMIMダイオードは、赤外線を正常に捕捉することができました。アプライ電圧ゼロであるため、必要なときにのみオンになります。

従来のソーラーパネルでは可視光スペクトルの小さな塊を収穫しかできませんが、その余剰な赤外線をすべて利用することができれば、研究者の言葉によれば、エネルギー生産の画期的な変化であり「ゲーム・チェンジャー[大変革]」になるでしょう。

さらに太陽光発電所とは異なり、これらのエネルギー・ハーベスタ[収穫器]は、天候に関係なく24時間いつでも動作することができます。他の科学者達も同じ問題を、別の角度からすばらしい取り組みをしています。

巨大な約束にもかかわらず、当分の間は、これを理解する道に沿ったもう1つのステップに過ぎません。まだ多くの技術的課題が残っています。未だ多くの技術的課題が残っています。例えば、現在アンテナはエネルギー効率的ではありません。

「これはほんの始まりに過ぎない - 概念の証明です。」とシャミム氏は述べています。

最終的にだが、技術は大きな違いを生む可能性があります。「総発電量を増やすために、何百万もの機器を接続することができます」と彼は付け加えます。

 

この研究は、「材料と今日のエネルギー誌」(Materials Today Energy)に掲載されています。

 

----- 出典 -----

www.sciencealert.com

 

----- この記事を読んで -----

本文では量子と書かれていすが、量子の1つ、電子の話です。トンネル効果は、電子が空間を超えて染み出すことを言います。 この技術が確立したら、エネルギー問題が解決するかもしれません。そうなれば、核分裂タイプの原子炉は総て廃炉にできます。自然界にある無尽蔵のエネルギーを取り出し、利用できるようになる日が来るといいです。

 

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(飛躍している部分はあるものの、気になる内容)

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