В настоящее время многие научные исследования в той или иной мере связаны с возможностью преобразования падающего на Землю потока солнечных частиц для производства электроэнергии. Появление новых наноматериалов расширило перспективы развития данного направления.

Сегодня в серьёзных научных кругах ни у кого уже не вызывает сомнение тот факт, что материал графен способен генерировать электрический ток под воздействием различных электромагнитных излучений. Комбинируя графен с нитридом бора, учёные Массачусетского технологического института смогли получить постоянный электрический ток под воздействием терагерцевых волн. Терагерцевые волны широко распространены в нашей повседневной жизни и при их использовании, концентрированная энергия волн может потенциально служить альтернативным источником энергии. Учёные MIT также обнаружили, что чем сильнее энергия поступающего терагерца, тем больше энергии устройство может преобразовывать в постоянный ток. Исследователи разработали проект терагерцевого выпрямителя, состоящего из небольшого квадрата графена, который располагается на слое нитрида бора и находится внутри антенны. Он будет собирать и концентрировать окружающее терагерцевое излучение, усиливая его сигнал настолько, чтобы стало возможным преобразовать его в постоянный ток.

Однако, несмотря на весь авторитет Массачусетского технологического института в научном мире и финансовую поддержку государства, первенство в исследовании практического использования графена для целей электрогенерации следует признать за немецкой научно-технологической компанией Neutrino Deutschland GmbH, входящей в международную группу Neutrino Energy Group. Эта компания разработала технологию получения постоянного электрического тока путем нанесения многослойного нанопокрытия из чередующихся слоев графена и легированного кремния на металлическую фольгу (патент № EP3265850A1). Предполагается, что многослойное расположение чередующихся слоёв графена и легированного кремния приводит к тому, что силы между электронами графена «выбиваются» из равновесия. Общий эффект заключался в том, что физики называют «косым рассеянием», когда облака электронов отклоняют свое движение в одном направлении, что и называется постоянным электрическим током.

Благодаря такому многослойному материалу и повышенному колебательному движению атомов графена, эта чрезвычайно чуткая к излучениям конструкция энергетической ячейки способна преобразовывать не только воздействие терагерцевых волн, но и кинетическую энергию нейтрино и других частиц невидимого спектра излучения. Это позволяет получать постоянный электрический ток круглосуточно, в том числе в темноте, вне зависимости от места размещения энергетической ячейки. Кроме того, при отсутствии или слабом фоновом воздействии терагерцевых волн и других полей излучений, такая многослойная конструкция из слоёв графена и легированного кремния позволит получать постоянный ток только от воздействия космических частиц невидимого спектра излучения (нейтрино), что и подтвердили независимые испытания в клетке Фарадея в условиях исключения воздействия терагерцевых волн.

Компания Neutrino Energy Group опубликовала данные исследований Neutrinovoltaic технологии, которые показали, что в клетке Фарадея с пластины размером А-4 была получена выходная мощность 2.5–3.0 Вт. В таких условиях мощность зависела только от 2 воздействующих факторов: температуры и нейтрино. Испытания аналогичной пластины в лабораторных условиях, но без изоляции в клетке Фарадея, показали устойчивую мощность генерации 3.0 Вт, т.е. можно констатировать что различие генерируемой мощности небольшое или вообще отсутствует. Таким образом, эти данные дают основание предполагать, что температура и поток нейтрино являются ключевыми факторами, влияющими на генерируемую мощность электрического тока. По сравнению с регистрируемой мощностью при 26.2 градусов по Цельсию, температурные испытания при –40⁰C показали снижение мощности приблизительно на 25%. Это даёт основание предположить, что вклад потока космических нейтрино, составляющий 60 млрд. частиц в секунду через 1 см² земной поверхности, в мощность электрогенерации наряду с температурой играет существенное значение.

Данный вывод имеет крайне важное значение, поскольку он подтверждает, что Neutrinovoltaic источники тока, набранные из таких электрогенерирующих пластин, будут гарантированно генерировать электроэнергию и вдали от источников искусственных полей излучений, как электросмога, вышек мобильной связи, терагерцевых волн и т.д..

Большинство учёных, ссылаясь на различные учебники, сразу начнут утверждать, что нейтрино «прошивает» Землю насквозь и не взаимодействует никоим образом с веществом. Но это знание о нейтрино однозначно устарело:

Во-первых, нейтрино имеет массу, а значит – энергию (E=mc²), сейчас это общепризнанный факт. В 2019 году была опубликована информация, что ученым Технологического института Карлсруэ (KIT) удалось определить массу нейтрино с беспрецедентной точностью.

Во-вторых, опубликованные результаты исследований, проведенных в ORNL's Spallation Neutron Source (SNS) и приведённые в журнале Science, представляют убедительные доказательства процесса взаимодействия нейтрино. Исследователи первыми обнаружили и проанализировали когерентное упругое рассеяние нейтрино на ядрах. Описание экспериментов подробно рассмотрено в статье «The world’s tiniest neutrino detector discovers a large physics fingerprint». Низкоэнергетические нейтрино подобно теннисному шарику, налетающему на шар для боулинга, «ударяется» о большое и тяжёлое ядро атома и передаёт ему крошечное количество энергии. В результате ядро почти незаметно отскакивает, т.е. нейтрино низких энергий участвуют в слабых взаимодействиях с ядрами веществ.

Нейтрино участвуют только в слабом взаимодействии. Из-за этого сечение рассеяния нейтрино очень мало и вероятность их детектирования ничтожна. Зарегистрировать нейтрино удается лишь тогда, когда под большой нейтринный поток подставляют огромный детектор. Однако, высокоэнергетические нейтрино регистрируются детекторами, а значит они взаимодействуют с веществами.

Holger Thorsten Schubart, Президент международного научно-исследовательского альянса Neutrino Energy Group утверждает:

Для нас важно, что нейтрино, «прошивая» сверхтвердое нанопокрытие, вызывают колебания атомов графена. Взаимодействие низкоэнергетических нейтрино с веществом мы считаем доказанным экспериментальными данными проекта COHERENT. Нейтрино большей энергии, включая высокоэнергетические и нейтрино сверхвысоких энергий, по нашему мнению, также вызывают увеличение колебаний атомов графена. Такое взаимодействие можно представить, как камень, кинутый в воду, вызывает волны на поверхности воды, хотя потеря энергии при пересечении нанопокрытия может оказаться небольшой. Однако, поток 60 млрд. частиц нейтрино в секунду через 1 см^2 земной поверхности вызывает появление «графевовых» волн.

Holger Thorsten Schubart, CEO Neutrino Deutschland GmbH

Группа ученых из University of Arkansas провела исследование графена, нанесённого на пластину меди. Они наблюдали за изменениями положения атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа. При этом было сделано очень значимое открытие — в графене возникала волна, подобно волнам на поверхности моря, возникающая из-за комбинации небольших спонтанных движений и приводящая к появлению более крупных спонтанных движений. Смещение одного атома, суммируясь со смещениями других атомов, вызывает появление поверхностных волн с горизонтальной поляризацией, известных в акустике как «волны Лява». В связи с особенностями кристаллической решётки графена атомы его колеблются как бы в тандеме, что отличает подобные движения от спонтанных движений молекул в жидкостях.

Когда внутренняя частота колебаний атомов графена, вызванных температурным воздействием, совпадает с частой атомов графена, вызванных воздействием частиц нейтрино или частиц других полей излучений, имеющих массу, то возникает такое явление, как резонанс колебаний атомов графена, который в разы увеличивает отдачу электронов при контакте «графеновых» волн со слоями легированного кремния.

Чтобы направить электроны графена в одном направлении, должна быть нарушена внутренняя симметрия наноматериала, или то, что физики называют «инверсией». Обычно, графеновые электроны чувствуют равную силу между ними, а это означает, что любая поступающая энергия рассеивает электроны во всех направлениях, симметрично. Используя графен высокой чистоты в созданном наноматериале, а также добавляя легирующие элементы согласно патенту № EP3265850A1 учёным Neutrino Deutschland GmbH удалось сломать инверсию графена и вызвать асимметричный поток электронов в ответ на поступающую энергию.

Доказанное взаимодействие нейтрино с веществом позволяет по-новому взглянуть на колебания атомов в кристаллической решетке. В физике данные колебания связывают с температурой вещества кристалла и взаимовлиянием соседних атомов друг на друга – тепловые, упругие и пр. Новые знания о взаимодействии нейтрино с ядрами атомов дают серьёзные основания сделать предположение, что колебания атомов кристаллической решётки зависят не только от температуры, но и от воздействия нейтрино. В качестве достоверности приведённого предположения можно рассмотреть в качестве примера материалы графен и кремний. Известно, что в одинаковых условиях, в первую очередь температурных, колебания атомов графена в 100 раз больше колебаний атомов кремния. Графен (одноатомный слой графита ― природного минерала со слоистой структурой, состоящего из атомов углерода) с атомным номером 6 имеет атомную массу 12,0096 а.е.м., тогда как кремний (химический элемент 14-й группы) – атомную массу 28,0855 а. е. м. Согласно экспериментальным данным проекта COHERENT, чем легче атомная масса вещества, тем сильнее проявляется эффект воздействия на него низкоэнергетических нейтрино, а значит, тем сильнее колебания его атомов.

При анализе результатов взаимодействия нейтрино с веществом следует принимать во внимание выводы, сделанные в результате исследований, проведённых коллективом учёных ETH (Eidgenössische Technische Hochschule, Zürich) во главе с профессором Ванессой Вуд, опубликованными в статье «Atomic Vibrations in Nanomaterials». В публикации в журнале Nature профессор ETH Ванесса Вуд и ее коллеги объясняют, что происходит с атомными колебаниями, когда материалы имеют наноразмер, и как эти знания могут быть использованы для систематической разработки наноматериалов для различных применений. В публикации показано, что, когда материалы изготавливаются с размерами менее 10–20 нанометров, то есть в 5000 раз тоньше человеческого волоса, колебания внешних атомных слоев на поверхности наночастиц велики и играют важную роль в том, как этот материал ведет себя. Данный вывод можно интерпретировать таким образом – низкоэнергетические нейтрино взаимодействуют с наноматериалом в основном в верхних атомных слоях наночастиц.

Анализ результатов взаимодействия нейтрино с веществом, приведённый выше, коррелирует с данными по составу электрогенерирующего многослойного наноматериала, приведёнными в описании патента № EP3265850A1, где авторы патента указали,

«Особенно выгодно, если покрытие представляет собой нанопокрытие, в котором графен и кремний присутствуют в виде наночастиц. В этом случае частицы кремния должны иметь размер от 5 нм до 500 нм, особенно предпочтительно 5 нм, а частицы графена должны иметь размер от 20 нм до 500 нм, особенно предпочтительно 20 нм, поскольку эффективность повышается при уменьшении размеров частиц. Преимущественно покрытие имеет чередующиеся слои кремния и графена, в частности от 10 до 20 слоев кремний-графен, в частности 12 слоев кремний-графен. 12 слоев особенно выгодны, потому что после 12 слоев напряжение снова уменьшается.»

Безусловно, анализ взаимодействия нейтрино с веществом требует дальнейших фундаментальных исследований и привлечения к таким работам специалистов-физиков, специализирующихся на исследовании нейтрино. В рамках прикладных работ, проводимых немецкой научно-технологической компанией Neutrino Deutschland GmbH и входящей в международную группу Neutrino Energy Group , фундаментальные научные исследования не являются целью и задачей, поскольку компания концентрируется на поиске чисто технологическую решения для создания нового типа электрогенерации без выбросов парниковых газов.

Я надеюсь, что мои рассуждения о взаимодействии нейтрино с веществом смогут стать предпосылкой для новых фундаментальных исследований в этой области.

Автор: Румянцев Л.К., к.т.н.

Neutrino Energy Group, Neutrinovoltaic, Holger Thorsten Schubart, графен, атомные колебания, альтернативная энергетика