Холод Вселенной помог добыть энергию

Ученые экспериментально продемонстрировали возможность получения электричества, используя разность температур между Землей и космосом. Для этого они использовали эффект отрицательного освещения, что в некотором смысле противоположно получению энергии солнечной батареей. В результате физики смогли добиться генерации 64 нановатт мощности на квадратный метр установки, что очень мало, но заметно и значительно ниже теоретических пределов метода, пишут авторы в журнале Applied Physics Letters.

Стандартным вариантом солнечных батарей является фотодиод — полупроводниковый прибор, который генерирует электрический ток в случае облучения фотонами от нагретого до более высокой температуры источника. Однако можно реализовать в некотором смысле обратную схему, в рамках которой фотодиод с более высокой температурой взаимодействует посредством излучения с холодной поверхностью. В таком случае говорят, что диод находится в состоянии отрицательного освещения. Физики несколько лет назад доказали, что при идеальных условиях и поглощении лишь в узком диапазоне эффективность получения энергии стремится к предельному коэффициенту полезного действия для тепловых машин, определяемому теоремой Карно.

В общем случае энергию можно генерировать во всех ситуациях, когда есть поток тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Обычной ситуацией в данном случае является превращение энергии излучения горячего Солнца в электричество на поверхности относительно более холодной Земли. Тем не менее, можно также использовать излучение самой Земли, причем в таком случае холодным телом будет являться остальная Вселенная, средняя температура в которой определяется фотонами реликтового излучения и равняется примерно 2,7 кельвина.

Использование инфракрасного свечения тел на Земле потенциально позволяет создать источники возобновляемой энергии, работающие на тех же принципах, что и солнечные батареи, но функционирующие ночью. В работе под руководством Шаньхуэй Фаня (Shanhui Fan) из Стэнфордского университета впервые экспериментально демонстрируется получение заметной электрической мощности при помощи фотодиода, направленного в ночное небо. «Мы экспериментально продемонстрировали генерацию электрической энергии напрямую из холодности Вселенной», — пишут ученые.

Авторы использовали излучение на длинах волн от 8 до 13 микрон, для которых атмосфера прозрачна. В результате им удалось зафиксировать генерацию электрического тока мощностью около 64 нановатт на квадратный метр установки. Эффективность преобразования энергии при этом составила 2,3×10^-5 процентов. Столь скромные значения физики связывают с неидеальным соответствием параметров использованного диода и окном прозрачности атмосферы, а также другими паразитными эффектами.

Исследователи построили теоретическую модель, учитывающую как потери в атмосфере, так и неидеальность диода. В результате они приходят к выводу, что теоретическим пределом подобных установок является мощность порядка 4 ватт на квадратный метр, то есть примерно в миллион раз больше, чем было продемонстрировано в текущей работе. Несмотря на то, что это значительно меньше, чем генерация современных солнечных батарей, для которых типичные значения находятся на уровне 100–200 ватт на квадратный метр, получаемого с использованием отрицательной освещенности электричества теоретически должно быть достаточно для питания многих работающих по ночам приборов. Другим применением подобной технологии может быть использование рассеиваемого нагретыми деталями машин тепла.

Недавно исследователи научили фотоматрицу одновременно вырабатывать себе энергию из регистрируемого света и фиксировать его. Также ученые доказали возможность преобразования света в электричество в природных неживых системах — некоторых видах почв и минеральных корках, образующихся на поверхности камней в сухом и жарком климате.

Тимур Кешелава