Глобальное изменение климата представляет собой всё более ощутимую угрозу для человечества. Климатологи из Университета Лидса представили отчёт, который вызывает серьёзные опасения. Они утверждают, что если выбросы парниковых газов не будут сокращены, то допустимый углеродный запас будет исчерпан в ближайшие три-четыре года. Это предвещает наступление климатического кризиса, который может привести к значительному росту температур и масштабным природным катастрофам.
В современных реалиях особенно актуально развивать и внедрять технологии бестопливной электрогенерации, так как, несмотря на наличие сейчас на рынке достаточных объёмов ископаемого топлива, запасы которого рано или поздно начнут заканчиваться, создав дефицит и серьёзные проблемы не только в экономике, но и для населения. Необходимо быть готовыми к такой ситуации, ведь любая новая технология в области электрогенерации, как показывает опыт, требует десятилетий для масштабного внедрения.
В России интерес к таким разработкам пока находится на начальном этапе, тогда как за границей наблюдаются впечатляющие успехи в области исследований и практического применения.
Примером таких достижений является работа группы компаний Neutrino Energy, учёные которой создали графеновую технологию Neutrinovoltaic, позволяющей генерировать электричество без использования топлива. Основой этой технологии являются междисциплинарные инновации, разработанные немецким математиком и президентом Neutrino Energy Хольгером Торстеном Шубартом. В основе технологии лежит взаимодействие частиц из невидимого спектра излучений с многослойным композитным наноматериалом. Этот материал состоит из 12-20 чередующихся слоёв графена и легированного кремния. Толщина каждого слоя графена составляет 0,34 нм, а легированного кремния — 10–22 нм.
Свойства этих материалов приведены ниже:
Однослойный графен: Подвижность электронов 2×10^5 см^2/(В·с) (в 100 раз больше, чем у кремния), время отклика < 1 нс, удельная площадь поверхности 2630 м^2/г. Роль технологии – Улавливание крошечных энергий: чувствительность к рассеянию нейтрино и ионизации мюонов, преобразование энергии в колебания решетки (частота фонона 10^12-10^13 Гц).
Легированный кремний N-типа (фосфор): Концентрация носителей заряда 10^16-10^18 см^{-3}, встроенное электрическое поле 10^4-10^5 В/м, скорость рекомбинации < 10^3 см^{-3}・с^{-1}. Роль технологии – Направленный перенос заряда: подавляет рекомбинацию электронов и дырок и направляет свободные электроны для формирования стабильного тока.
Каждый слой графена участвует в энергетическом взаимодействии находясь в 3D плоскости, поэтому эффективность взаимодействия с частицами окружающих полей излучений на единицу объема по сравнению с 2D плоскостью увеличивается с 10^2 Вт/м^3 до 10^4 Вт/м^3 (увеличение на 1–2 порядка). Преимущества «объёмной генерации энергии» Neutrinovoltaic можно количественно оценить с помощью законов физики. Основная формула основана на законах сохранения энергии и механизмах взаимодействия материалов:
P(t) = η ∫V Φeff(r,t) · σeff(E) dV, где:
P(t) – Мгновенная выходная мощность
η – Общая эффективность преобразования
V – Эффективный объем выработки электроэнергии
Φamb(r,t) – Плотность потока энергии в точке r и времени t
σeff(E) – Эффективное сечение взаимодействия материала для частиц с энергией E
E – Энергия частиц
Формула наглядно демонстрирует разницу между нейтриноэнергетикой и фотовольтаикой. Солнечные батареи зависят от размера площади, тогда как нейтриноэнергетика использует объем. Каждый кубический сантиметр слоистого композита вносит свой вклад в мощность.
Уравнение показывает: мощность генерируемой энергии зависит от η (её можно улучшить с помощью оптимизации материала), Φ (региональные различия менее 1%) и V (эффективность увеличивается благодаря компактной конструкции). Это подчеркивает преимущество нейтриноэнергетики: отсутствие ограничений по площади поверхности.
Графен обладает удивительной подвижностью электронов, превышающей 200 000 см^2/В·с. Это позволяет ему быстро перемещать заряд. Его фононные резонансы находятся в диапазоне 10^12–10^13 Гц, что совпадает с частотами колебаний, вызываемых нейтрино. Легированный кремний с высокой плотностью носителей заряда (10^16–10^18 см^{-3}) обеспечивает стабильную проводимость и встроенные электрические поля с напряжённостью 10^4–10^5 В/м. Динамические свойства графена способствуют взаимодействию электрических и магнитных полей, создавая электродвижущую силу.
Формула P(t) = η ∫V Φeff(r,t) · σeff(E) dV широко применяется в программах искусственного интеллекта ИИ). Искусственный интеллект значительно повышает точность и скорость анализа сложных конфигураций наноматериалов. Это превращает неопределенные эксперименты в четко структурированные инженерные процессы, основанные на данных. Нейтриновольтаика обеспечивает высокую устойчивость благодаря своей непрерывной работе в любых условиях, отсутствию подвижных элементов и генерации энергии непосредственно в месте использования. Это устраняет системные уязвимости.
Теоретические исследования в области Neutrinovoltaic-технологий идут рука об руку с их практическим внедрением в производство. Это необходимо для подтверждения эффективности новой технологии, особенно такой, как Neutrinovoltaic-генерация, которая является бестопливной и предназначается для массового использования. На сегодняшний день разработаны и уже внедряются два типа оборудования, сертифицированные по стандарту IEC 63356-2024:
- Neutrino Power Cube — это компактный блок генерации электроэнергии, вес которого составляет всего 50 кг. Он способен производить 5–6 кВт чистой энергии. Важным преимуществом этого устройства является отсутствие движущихся частей, что значительно снижает потребность в регулярном обслуживании. 200 000 таких блоков обеспечат общую мощность в 1–1,2 ГВт, что сопоставимо с мощностью одного из блоков атомной электростанции ВВЭР-1000 или ВВЭР-1200. Особенностью Neutrino Power Cube является возможность их размещения непосредственно в местах потребления электроэнергии, что исключает необходимость в длинных линиях электропередач.
- Кондиционирующая система Neutrino Life Cube, способная генерировать электричество, весит 80 кг и оснащена генератором мощностью от 1 до 1,5 кВт. В её состав также входит генератор «воздух-вода», который ежедневно производит от 12 до 25 литров воды, в зависимости от уровня влажности воздуха. Устройство легко транспортировать на автомобиле, и оно готово к работе сразу после установки, что делает его идеальным для использования в гуманитарных операциях и странах, испытывающих дефицит питьевой воды.
- В ближайшее время состоится презентация концепта электромобиля Pi Car, оснащённого инновационной бестопливной системой генерации электроэнергии на основе графена. Также будут представлены новейшие разработки в сфере водного и воздушного транспорта. Эти проекты основаны на расчётах по формуле P(t) = η ∫V Φeff(r,t) · σeff(E) dV и выполнены с использованием искусственного интеллекта.
Возможности применения технологии Neutrinovoltaic безграничны. Традиционно энергия воспринимается как дефицитный ресурс, который необходимо производить централизованно и передавать на значительные расстояния, что приводит к её недоступности и высокой стоимости. Однако Neutrinovoltaic меняет эту парадигму, акцентируя внимание на её изобилии. Источники энергии, такие как нейтрино и мюоны, присутствуют повсюду и не подвержены истощению. Солнце будет светить ещё 5 миллиардов лет, что означает, что энергетика перестанет быть узким местом для прогресса.
Автор: Румянцев Л.К., к.т.н., зам. Председателя научно-консультационного совета группы компаний Neutrino Energy
