热力发电原理热能转换为电能(科学家发明量子隧穿效应装置，能把地球热能转化为电能)

Posted 2023-06-02

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热力发电原理热能转换为电能(科学家发明量子隧穿效应装置，能把地球热能转化为电能)

虽然地球不会像恒星那样进行核聚变，但地球会不断向外辐射出热量，这些热量来自于地球在形成之初残留下的热量、放射性元素衰变所释放出的热量以及太阳辐射。如果能把这部分热量利用起来，或能解决我们的能源短缺问题。最近，来自阿卜杜拉国王科技大学的科学家设计出了一种独特的装置，它能够通过量子隧穿效应，把地球的红外辐射以及工业过程中的废热转化为电能。

地球每天24小时释放出红外热，只要我们有办法利用这种热量，我们就能源源不断地从地球那里获取有用的能量。科学家提出一种方法，把红外线热能以及工业废热调节成高频电磁波。通过设计出一种独特的天线，收集的波被发送到整流器，通常是一个半导体二极管，能够把千万亿分之一秒的交流信号转换成电流。

大部分照射到地球上的太阳光会被地表、海洋和大气层所吸收，这种增温效应使得地球持续不断地辐射出红外线。此外，地球本身也会向外辐射出热量。科学家估计，地球每秒的红外线辐射高达数千万亿瓦，这是一种相当可观的能量。

整流天线

不过，科学家承认，想要把这种独特的整流天线付诸实践相当困难，因为红外辐射的波长很短，这需要配备微米级或纳米级的天线，而这种天线在现实中很难制造和测试。此外，红外波的振荡速度比典型的半导体能使电子通过其隧穿结的速度快数千倍。

主导这项研究的科学家Atif Shamim教授表示：“目前世界上还没有一种商业化二极管能够在如此高的频率下工作，这就是为什么我们会转向量子隧穿效应。”

理论上，诸如金属-绝缘体-金属（MIM）二极管量子隧穿装置可以把电子通过一个极小的屏障，从而使红外波转化为电流。由于这种屏障只有一纳米厚，MIM二极管能以飞秒数量级处理高频信号。为了产生量子隧穿效应所需的超强电场，研究小组使用了一种碗状纳米天线，把绝缘膜夹在两个重叠的金属臂之间。

量子隧穿效应

科学家表示，这种装置最具挑战性的部分是两根天线臂的纳米级重叠，这需要非常精确的排列。通过先进的纳米制造工艺，研究人员目前已经完成了这一关键步骤。实验结果显示，研究人员所设计的MIM二极管成功从红外波中获取到电能。科学家指出，虽然目前这只是一种概念证明，但如果有数百万这样的设备连接起来，或者设计出更大型的设备，就足以产生有用的电能。

目前，这项研究已经发表于《今日材料能源》（Materials Today Energy）上。