پژوهشگران راهی برای مهار انرژی گرمایی زمین یافته اند.
برآوردها نشان میدهند که در هر ثانیه میلیونها گیگاوات انرژی پاک از زمین متصاعد شده و هدر میرود. ۸۰ درصد از انرژی که از خورشید به سیاره‌ی ما تابیده میشود، در اتمسفر، اقیانوس‌ها و یا پوسته‌ی زمین جذب میشود. و آنچه که از آن باقی می‌ماند "اشعه فرو سرخ" یا "مادون قرمز" (Infra Red) است. و ما تا کنون از این سرچشمه‌ی سرشار از انرژی پاک، بی‌بهره مانده‌ایم!
دانشمندان از دیرباز در پی مهار این انرژی گرمایی بوده‌اند. ولی از آنجا که موج‌های فرو سرخ بسیار ریز هستند و تنها یک‌چهارم ثانیه دوام دارند، تا کنون کسی نتوانسته است آنتنی بسازد که برای شکار این امواج، مناسب باشد.
در کنار دشواریِ ساخت و آزمایش آنتن در اندازه‌های نانو، چالش دیگری نیز بر سر این راه خودنمایی میکند: سرعت نوسان موج‌های فروسرخ هزاران بار از سرعتی که الکترون میتواند در نیمه‌هادی‌ها حرکت کند بیشتر است!
به زبان آسانتر: سرعت موج‌های فروسرخ بیشتر از آن است که بتوانیم با آن الکترونها را به حرکت درآوریم و از آن الکتریسیته بگیریم!
برای همین، گروهی از فیزیکدانان رویکرد دیگری را در پیش گرفته‌اند. دانشمندان دانشگاه علم و فناوری KAUST در عربستان میگویند که با بهره‌گیری از "تونل زنی کوانتومی" Quantum Tunneling توانسته‌اند راهی برای مهار انرژی اشعه‌های فروسرخ پیدا کنند!
به گفته‌ی Atif Shamim که سرپرست این پژوهش بوده است: پژوهشگران با "اشعه‌ی فرو سرخ" همانند "موج مغناطیسی" برخورد کردند. هیچ دیودی که بتواند با این فرکانس بالا کار کند وجود ندارد، بنابراین پژوهشگران به "تونل‌زنی کوانتومی" روی آورده‌اند.
"تونل زنی کوانتومی" پدیده شگفت انگیزی در مکانیک کوانتومی است که در آن یک ذره از یک سد جامد، که از نظر فیزیک کلاسیک توانایی گذر از آن را ندارد، گذر میکند!
این پدیده که معمولا با عنوان اصل عدم قطعیت هایزنبرگ توضیح داده میشود در "واکنش‌های هسته‌ای ستارگانی مانند خورشید" دیده میشود.
برای فهم بیشتر این پدیده، تصور کنید که توپی از دیوار گذر میکند، این توپ همان ذره است و دیوار نیز سد است. در این پدیده ذره با رسیدن به دیوار ناپدید میشود و در آنسوی دیوار دوباره پدیدار میشود!
این کار به خاطر پدیده‌ی "برهم نهی" Superposition در فیزیک کوانتومی، شدنی است! بر پایه‌ی پدیده‌ی برهم‌نهی کوانتومی، جا و شکل ذره ها تا هنگامی که اندازه گیری نشوند مبهم است. و این نیز بر پایه‌ی پدیده‌ی «در هم تنیدگی» ذرات کوانتومی است.
برای آشنایی بیشتر با در هم تنیدگی کوانتومی این ویدیو را ببینید:
این پدیده‌ها چیزهای شگفت‌آوری که با فیزیک سنتی قابل توضیح نیستند را شدنی میکند!
اکنون، با آنکه از این پدیده‌های کوانتومی در فناوری های پیشرفته‌ای همچون رایانه‌های کوانتومی بهره‌گیری میشود، ولی دانشمندان هنوز دقیقا به چگونگی روی دادن آنها پی نبرده‌اند!
پژوهشگران دانشگاه KAUST به جای بهره‌گیری از نیمه‌رساناها برای به جنبش درآوردن الکترونها، یک آنتن به شکل پاپیون و در اندازه‌ی نانو ساخته‌اند و آن را به یک دیود MIM (فلز-عایق-فلز) وصل کرده‌اند.
این آنتن اشعه‌ی فروسرخ را گرفته و آن را از سد بسیار نازکی گذر میدهد. الکترونها با این کار به مدت یک‌چهارم ثانیه جمع‌آوری میشوند!
این آنتن بسیار ریز، که از دو بازوی فلزی با لایه بسیار نازکی از طلا و تیتانیوم در میانه‌ی آن ساخته شده، میدان الکتریکی مورد نیاز برای تونل کوانتومی را فراهم میکند.
این مواد، در طول فرایند، سرد و یا گرم نمیشوند، پس این فرایند به خنک‌کننده یا گرم‌کننده نیز نیازی ندارد!
از آنجا که این فرایند به جای ویژگیهای شیمیایی، تنها با تکیه بر ویژگیهای فیزیکی مواد به انجام میرسد، گسترش آن با دشواری روبرو نیست.
اگر چه این کار تنها در حد اثبات مفهومی است ولی در آینده میتواند یکی از روش‌های اصلی تولید انرژی پاک باشد. پژوهشگران امیدوارند که میلیونها دستگاه که در آینده با روش آنها ساخته خواهند شد بتوانند انرژی گرمایی زمین را که هم‌اکنون ۲۴ ساعته به هدر میرود، برای مصرف انسانها مهار کنند.
یافته‌های این پژوهش در ژورنال Materials Today Energy منتشر شده است.
❔آیا در آینده خورشید اصلی‌ترین منبع تامین انرژی مورد نیاز ما خواهد بود؟ مرز پیشرفت فناوری تا کجاست؟
لینک منبع خبر:
Physicists leverage quantum tunneling to collect energy from Earth’s heat