تامین الکتریسیته از گرمای زمین با تونل زنی کوانتومی

پژوهش مورد نظر بر پایه‌ی تونل‌زنی کوانتومی بنا شده است. در این روش، از آنتنی استفاده می‌شود که برای آشکار‌سازی تابش فرو‌سرخ اضافی زمین به عنوان نوعی از تابش الکترومغناطیسی طراحی شده است. مکانیزم خاصی برای تبدیل این تابش به جریان مستقیم به‌کار گرفته می‌شود. روی زمین نیز انرژی بسیار زیادی به هدر می‌رود. تابش خورشید به زمین معمولا توسط سطح آن از جمله سطح دریا و اقیانوس‌ها و همچنین اتمسفر زمین جذب می‌شود.

گرم شدن سطح زمین باعث بازتابش ثابتی از امواج فرو‌سرخ از سطح زمین می‌شود که این میزان تابش، بیش‌تر از میلیون‌ها گیگا‌وات در ثانیه تخمین زده می‌شود. برای به‌دام انداختن این تابش فرو‌سرخ، به آنتن‌ها‌ی بسیار ظریف و کوچک نیازمندیم. چرا که طول موج این تابش بسیار کوچک است. تیم تحقیقاتی بین‌المللی انجام دهنده‌ی این پروژه مدعی است که تونل‌زنی کوانتومی، شرایط این کار را فراهم می‌کند.

یکی از رهبران پروژه به‌نام اتیف 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 پدیده‌ی تونل‌زنی کوانتومی روی آورده‌ایم.

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

یکی از مثال‌ها‌ی معمول در این مورد توپی است که از یک تپه بالا می‌رود. 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 این‌جا به دلیل وجود اصل عدم قطعیت که قلب مکانیک کوانتومی است، توپ می‌تواند بدون نیاز به داشتن انرژی کافی، از تپه رد شود یا به اصطلاح در تپه تونل درست کند.

این اصل چگونه در کارکرد آنتن‌ها‌یی در مقیاس نانو تاثیر‌گذار است؟ این اثر باعث می‌شود که الکترون‌ها از یک ابزار تونل‌زنی مانند یک دیود فلزنارسانا_ فلز عبور کنند. به این وسیله الکترون‌ها در راه عبور خود، تابش فرو‌سرخ را به جریان تبدیل می‌کنند.

دانشمندان توانسته‌اند با قرار دادن دو صفحه‌ی فلزی هم اندازه از جنس طلا یا تیتانیوم، در دو طرف یک لایه‌ی نازک نارسانا، آنتنی در مقیاس نانو طراحی کنند که بتواند میدان الکتریکی قوی لازم برای انجام پدیده‌ی تونل زنی را فراهم کند.

به‌گفته‌ی یکی از پژوهشگران به نام گاراو جایاسوال از KAUST:

مشکل‌ترین قسمت این کار، فراهم کردن دو صفحه‌ی دقیقا هم شکل و هم اندازه‌ی فلزی برای این آنتن بوده است. با این وجود، با استفاده از روش‌ها‌ی خاص و ابزار‌ها‌ی پیشرفته در KAUST توانستیم از این مرحله نیز عبور کنیم. 

دیود MIM جدید توانایی به‌دام اندازی امواج فرو‌سرخ در ولتاژ صفر را دارد. بنابر‌این تنها زمانی که لازم است آن را روشن می‌کنند. در حالی که سلول‌ها‌ی خورشیدی نسل قدیم تنها توانایی به‌دام انداختن قسمت کوچکی از طیف مرئی نور را دارند، توانایی دست‌یابی به تابش‌ها‌ی دیگر از جمله فرو‌سرخ، انقلابی در تولید انرژی به‌وجود خواهد آورد.

برخلاف دستگاه‌ها‌ی خورشیدی، ابزار‌ها‌ی جدید می‌توانند در هر ساعتی از شبانه روز بازده داشته باشند چرا که تابش فرو‌سرخ همیشه در دسترس است. با این که روش به‌دست آمده دستاورد بسیار بزرگی محسوب می‌شود؛ اما جای کار برای بهتر کردن آن بسیار است. برای مثال، بازده آنتن‌ها‌ی شرح داده شده، کم است و می‌توان آن را بهتر کرد. شمیم گفت:

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

این پژوهش در Materials Today Energy منتشر شد.