Les scientifiques lancent les «  rectennes optiques  » les plus efficaces, des dispositifs qui récupèrent l’énergie de la chaleur

Chauffer

Crédit: Unsplash / CC0 Public Domain

Des scientifiques de l’Université du Colorado à Boulder ont exploité une propriété de type poltergeist des électrons pour concevoir des appareils capables de capter l’excès de chaleur de leur environnement et de le transformer en électricité utilisable.

Les chercheurs ont décrit leurs nouvelles « rectennes optiques » dans un article publié aujourd’hui dans la revue Communications de la nature. Ces appareils, qui sont trop petits pour être vus à l’œil nu, sont environ 100 fois plus efficaces que des outils similaires utilisés pour la récupération d’énergie. Et ils réussissent cet exploit grâce à un processus mystérieux appelé «tunnel de résonance» – dans lequel les électrons traversent la matière solide sans dépenser d’énergie.

«Ils entrent comme des fantômes», a déclaré l’auteure principale Amina Belkadi, qui a récemment obtenu son doctorat. du Département de génie électrique, informatique et énergétique (ECEE).

Les rectennes (abréviation de «rectifying antennas»), a-t-elle expliqué, fonctionnent un peu comme des antennes d’autoradio. Mais au lieu de capter les ondes radio et de les transformer en airs, les rectennes optiques absorbent la lumière et la chaleur et la convertissent en puissance.

Ils sont également des facteurs de changement potentiels dans le monde des énergies renouvelables. Les rectennes de travail pourraient, en théorie, récolter la chaleur provenant des cheminées d’usine ou des fours de boulangerie qui, autrement, seraient perdues. Certains scientifiques ont même proposé de monter ces appareils sur des dirigeables qui voleraient au-dessus de la surface de la planète pour capter l’énergie rayonnant de la Terre vers l’espace extra-atmosphérique.

Mais, jusqu’à présent, les rectennes n’ont pas été en mesure d’atteindre les gains d’efficacité nécessaires pour atteindre ces objectifs. Jusqu’à présent, peut-être. Dans la nouvelle étude, Belkadi et ses collègues ont conçu les toutes premières rectennes capables de produire de l’énergie.

«Nous démontrons pour la première fois des électrons subissant un tunnel résonnant dans une rectenne optique à récupération d’énergie», a-t-elle déclaré. « Jusqu’à présent, ce n’était qu’une possibilité théorique. »

Le co-auteur de l’étude Garret Moddel, professeur à l’ECEE, a déclaré que l’étude était une avancée majeure pour cette technologie.

«Cette innovation constitue un pas important vers la réalisation des rectennes plus pratiques», a-t-il déclaré. « Pour le moment, l’efficacité est vraiment faible, mais elle va augmenter. »

Un problème imbattable

C’est un développement que Moddel, qui a littéralement écrit le livre sur ces appareils, attend avec impatience depuis longtemps. Les rectennes existent depuis 1964, lorsqu’un ingénieur du nom de William C. Brown a utilisé des micro-ondes pour propulser un petit hélicoptère. Ce sont des outils relativement simples, composés d’une antenne, qui absorbe le rayonnement, et d’une diode, qui convertit cette énergie en courants CC.

«C’est comme un récepteur radio qui capte la lumière sous forme d’ondes électromagnétiques», a-t-il déclaré.

Le problème, cependant, est que pour capturer le rayonnement thermique et pas seulement les micro-ondes, les rectennes doivent être incroyablement petites – plusieurs fois plus minces qu’un cheveu humain. Et cela peut causer une série de problèmes. Plus un appareil électrique est petit, par exemple, plus sa résistance augmente, ce qui peut réduire la puissance de sortie d’une rectenne.

« Vous avez besoin que cet appareil ait une très faible résistance, mais il doit également être vraiment sensible à la lumière », a déclaré Belkadi. « Tout ce que vous faites pour améliorer l’appareil d’une manière aggraverait l’autre. »

Pendant des décennies, en d’autres termes, les rectennes optiques ont semblé être un scénario sans issue. Jusqu’à ce que Belkadi et ses collègues, dont la chercheuse postdoctorale Ayendra Weerakkody, trouvent une solution: pourquoi ne pas contourner complètement cet obstacle?

Une solution fantomatique

L’approche de l’équipe repose sur une propriété étrange du royaume quantique.

Belkadi a expliqué que dans une rectenne traditionnelle, les électrons doivent passer à travers un isolant afin de générer de l’énergie. Ces isolateurs ajoutent beaucoup de résistance aux appareils, réduisant ainsi la quantité d’électricité que les ingénieurs peuvent extraire.

Dans la dernière étude, cependant, les chercheurs ont décidé d’ajouter deux isolateurs à leurs appareils, pas un seul. Cet ajout a eu pour effet contre-intuitif de créer un phénomène énergétique appelé «puits» quantique. Si les électrons atteignent ce niveau avec juste la bonne énergie, ils peuvent l’utiliser pour creuser un tunnel à travers les deux isolateurs, sans aucune résistance dans le processus. Ce n’est pas sans rappeler un fantôme dérivant à travers un mur sans être dérangé. Un étudiant diplômé du groupe de recherche de Moddel avait déjà émis l’hypothèse qu’un tel comportement spectral pouvait être possible dans les rectennes optiques, mais, jusqu’à présent, personne n’avait été en mesure de le prouver.

« Si vous choisissez vos matériaux correctement et que vous les obtenez à la bonne épaisseur, cela crée ce type de niveau d’énergie où les électrons ne voient aucune résistance », a déclaré Belkadi. « Ils vont juste zoomer. »

Et cela signifie plus de puissance. Pour tester l’effet effrayant, Belkadi et ses collègues ont disposé un réseau d’environ 250 000 rectennes, qui ont la forme de minuscules nœuds papillon, sur une plaque chauffante dans le laboratoire. Puis ils ont augmenté la chaleur.

Les appareils ont pu capter moins de 1% de la chaleur produite par la plaque chauffante. Mais Belkadi pense que ces chiffres ne feront qu’augmenter.

«Si nous utilisons des matériaux différents ou si nous changeons nos isolants, nous pourrons peut-être creuser ce puits plus profondément», a-t-elle déclaré. « Plus le puits est profond, plus les électrons peuvent passer à travers. »

Moddel attend avec impatience le jour où les rectennes seront installées au-dessus de tout, des panneaux solaires au sol aux véhicules plus légers que l’air dans les airs: «Si vous pouvez capter la chaleur rayonnant dans l’espace lointain, vous pouvez obtenir de l’électricité à tout moment, n’importe où .  »


La recherche améliore l’efficacité et la stabilité des rectennes optiques


Plus d’information:
Communications de la nature (2021). DOI: 10.1038 / s41467-021-23182-0

Fourni par l’Université du Colorado à Boulder

Citation: Les scientifiques lancent les «  rectennes optiques  » les plus efficaces, des dispositifs qui récupèrent l’énergie de la chaleur (2021, 18 mai) récupéré le 18 mai 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-05-scientists-debut-effic-optical-rectennas .html

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