تامین الکتریسیته از گرمای زمین با تونل زنی کوانتومی

پژوهش مورد نظر بر پایه ی تونل زنی کوانتومی بنا شده است. در این روش، از آنتنی استفاده می شود که برای آشکار سازی تابش فرو سرخ اضافی زمین به عنوان نوعی از تابش الکترومغناطیسی طراحی شده است. مکانیزم خاصی برای تبدیل این تابش به جریان مستقیم به کار گرفته می شود. روی زمین نیز انرژی بسیار زیادی به هدر می رود. تابش خورشید به زمین معمولا توسط سطح آن از جمله سطح دریا و اقیانوس ها و همچنین اتمسفر زمین جذب می شود.

گرم شدن سطح زمین باعث بازتابش ثابتی از امواج فرو سرخ از سطح زمین می شود که این میزان تابش، بیش تر از میلیون ها گیگا وات در ثانیه تخمین زده می شود.برای به دام انداختن این تابش فرو سرخ، به آنتن ها ی بسیار ظریف و کوچک نیازمندیم. چرا که طول موج این تابش بسیار کوچک است. تیم تحقیقاتی بین المللی انجام دهنده ی این پروژه مدعی است که تونل زنی کوانتومی، شرایط این کار را فراهم می کند.

یکی از رهبران پروژه به ناماتیف شمیم،از دانشگاه سلطان عبدالله (KAUST) عربستان صعودی گفت:

هیچ دیود صنعتی مناسبی برای کار در این فرکانس بالا در جهان موجود نیست. به همین دلیل به پدیده ی تونل زنی کوانتومی روی آورده ایم.

تونل زنی یکی از مفاهیم بنیادی مکانیک کوانتومی است که در آن، یک ذره می تواند بدون نیاز به داشتن انرژی کافی، از یک مرز مادی عبور کند.

یکی از مثال ها ی معمول در این مورد توپی است که از یک تپه بالا می رود. در فیزیک کلاسیک، توپ باید انرژی لازم برای بالا رفتن از تپه را داشته باشد تا بتواند به سمت دیگر آن برود. اما در مکانیک کوانتومی به این شکال نیست. در این جا به دلیل وجود اصل عدم قطعیت که قلب مکانیک کوانتومی است، توپ می تواند بدون نیاز به داشتن انرژی کافی، از تپه رد شود یا به اصطلاح در تپه تونل درست کند.

این اصل چگونه در کارکرد آنتن ها یی در مقیاس نانو تاثیر گذار است؟ این اثر باعث می شود که الکترون ها از یک ابزار تونل زنی مانند یک دیود فلزنارسانا_ فلز عبور کنند. به این وسیله الکترون ها در راه عبور خود، تابش فرو سرخ را به جریان تبدیل می کنند.

دانشمندان توانسته اند با قرار دادن دو صفحه ی فلزی هم اندازه از جنس طلا یا تیتانیوم، در دو طرف یک لایه ی نازک نارسانا، آنتنی در مقیاس نانو طراحی کنند که بتواند میدان الکتریکی قوی لازم برای انجام پدیده ی تونل زنی را فراهم کند.

به گفته ی یکی از پژوهشگران به نام گاراو جایاسوال از KAUST:

مشکل ترین قسمت این کار، فراهم کردن دو صفحه ی دقیقا هم شکل و هم اندازه ی فلزی برای این آنتن بوده است. با این وجود، با استفاده از روش ها ی خاص و ابزار ها ی پیشرفته در KAUST توانستیم از این مرحله نیز عبور کنیم.

دیود MIM جدید توانایی به دام اندازی امواج فرو سرخ در ولتاژ صفر را دارد. بنابر این تنها زمانی که لازم است آن را روشن می کنند. در حالی که سلول ها ی خورشیدی نسل قدیم تنها توانایی به دام انداختن قسمت کوچکی از طیف مرئی نور را دارند، توانایی دست یابی به تابش ها ی دیگر از جمله فرو سرخ، انقلابی در تولید انرژی به وجود خواهد آورد.

برخلاف دستگاه ها ی خورشیدی، ابزار ها ی جدید می توانند در هر ساعتی از شبانه روز بازده داشته باشند چرا که تابش فرو سرخ همیشه در دسترس است. با این که روش به دست آمده دستاورد بسیار بزرگی محسوب می شود؛ اما جای کار برای بهتر کردن آن بسیار است. برای مثال، بازده آنتن ها ی شرح داده شده، کم است و می توان آن را بهتر کرد. شمیم گفت:

این ابتدای کار ماست. تکنولوژی می تواند تفاوت بزرگی در جهان ایجاد کند. به امید روزی که در سراسر جهان از این تکنیک استفاده شود.

این پژوهش درMaterials Today Energyمنتشر شد.