Energian keruuta terahertsiaalloista

Kuvassa MIT:n tutkijoiden uudenlainen terahertsiaaltojen energiankeruun laiterakenne. Vihreän neliö esittää grafeenia toisen materiaalineliön päällä. Siniset kolmiomaiset antennit keräävät ja kohdistavat terahertsiaallot neliöön.

Terahertsialueen energian keräämisen tavoittelu on mielekästä sillä valtava määrä aurinkoenergiaa, pimeää energiaa ja käyttämätöntä mikroaaltoenergiaa on vielä hyödyntämättä korkeiden THz-taajuuksien ilmaisimien puuttumisen vuoksi.

Energian keräämiseen käytetyllä nykyisellä aurinkosähkötekniikalla maksimaalinen muuntotehokkuus rajoittuu Shockley-Queisser -rajaan. Esimerkiksi Rectenna Solar Cell (tasasuuntaaja-antenni) järjestelmä pystyy kuitenkin tarjoamaan monospektrisen radiotaajuus-DC:n (RF-DC) lähes 100 % muuntohyötysuhteella.

Nyt MIT:n fyysikot ovat laatineet suunnitelman laitteelle, jonka he uskovat pystyvän muuttamaan ympäristön terahertsin aallot pienelektroniikan kaipaamaksi tasavirraksi.

Nykyään vain muutama kokeellinen tekniikka on kyennyt muuntamaan terahertsiaallot tasavirraksi, kuten rectennat ja MIM-diodit mutta ne toimivat ultrakylmissä lämpötiloissa.

Sen sijaan, että muuttaisi sähkömagneettiset aallot tasavirraksi soveltamalla laitteessa ulkoista sähkökenttää, pohti MIT:n materiaalitutkimuslaboratorion tohtoritutkija Hiroki Isobe, josko materiaalin omat elektronit voitaisiin kvanttimekaanisella tasolla indusoida virtaamaan yhteen suuntaan, tarkoituksena ohjata tulevat terahertsiaallot tasavirraksi.

Tällaisen materiaalin olisi oltava erittäin puhdasta jotta materiaalissa olevat elektronit voivat virrata läpi siroamatta materiaalin epäsäännöllisyyksiin.

Grafeenista hän löysi ihanteellisen lähtöaineen. Grafeenissa elektronit tuntevat normaalisti tasaisen voiman keskenään eli kaikki saapuva energia sirottaa elektroneja kaikkiin suuntiin symmetrisesti. Isobe etsiä tapoja rikkoa grafeenin inversio ja indusoida epäsymmetrinen elektronivirta vasteena saapuvaan energiaan.

Tutkimuskirjallisuudesta löytyi kokeiluja, joissa grafeenia asetettiin boorinitridikerroksen päälle ja tässä järjestelyssä grafeenin elektronien väliset voimat saatiin pois tasapainotilasta: Booria lähempänä olevat elektronit tunsivat tietyn voiman, kun taas typpeä lähempänä olevat elektronit kokivat erilaisen vetovoiman. Kokonaisvaikutus oli se, mitä fyysikot kutsuvat "vinoksi siroamiseksi", jossa elektronien pilvet vinoavat liikkeensä yhteen suuntaan.

Teoreettisissa tutkimuksissaan Isobe havaitsi, että tulevat terahertsiaallot ajoivat elektroneja vinoutumaan yhteen suuntaan, ja tämä vino liike tuottaa tasavirtaa, jos grafeeni olisi puhdas. Epäpuhtaudet saavat elektronipilvet siroamaan sinne sun tänne.

Tutkijat havaitsivat myös, että mitä voimakkaampi saapuva terahertsienergia on, sitä enemmän tätä energiaa laite voi muuntaa tasavirraksi. Eli terahertsiaaltoja on myös keskitettävä.

Tutkijat laativat suunnitelman terahertsitasasuuntaajalle, joka koostuu pienestä neliöstä grafeenia, joka istuu boorinitridikerroksen päällä ja on sovitettu antenniin, joka kerää ja keskittää ympäröivän terahertsin säteilyn lisäten näin muuntotehokkuutta.

"Tämä toimisi hyvin samoin kuin aurinkokenno, paitsi eri taajuusalueella, passiivisesti keräten ja muuntaen ympäristön energiaa", toteaa tutkijakollega Liang Fu.

Ryhmä hakee patenttia uudelle korkeiden taajuuksien tasasuuntauksen suunnitelmalle. Jatkossa on tarkoitus kehittää fyysisen laite joka toimisi huoneenlämmössä.

"Jos laite toimii huoneenlämmössä, voimme käyttää sitä moniin kannettaviin sovelluksiin", toivoo Hiroki Isobe.

Aiheesta aiemmin: Pientä tehonkeruuta kellon ympäri