Neue optische Antennen ernten 100-mal mehr Strom aus Wärme

Die weltweit effizientesten optischen Rectennas können im Vergleich zu früheren Geräten mehr als 100-mal mehr Energie aus Abwärme gewinnen, obwohl eine neue Studie feststellt, dass viel Arbeit erforderlich ist, bevor sie einen praktischen Wert erreichen können.

Rectennas – kurz für “Rectifying Antennen” – nehmen elektromagnetische Wellen auf, ähnlich wie Autoantennen. Wenn die Antenne einer Rectenna ein Signal empfängt, wird es erzeugt oszillierende Ladungen, die sich durch angeschlossene Gleichrichterdioden bewegen. Diese Gleichrichter wandeln diese Schwankungen dann in elektrischen Gleichstrom um.

Theoretisch könnten Rectennas Energie aus Wärme gewinnen, die normalerweise verschwendet wird. “Es wäre großartig, wenn diese beim Klimawandel helfen könnten.” sagt Studienleiterin Amina Belkadi, Elektrotechnikerin an der University of Colorado in Boulder. “Sie können sich vorstellen, sie Solarzellen hinzuzufügen, damit Sie noch mehr Energie aus ihnen gewinnen können.”

Die Umwandlungseffizienz von optischen Rectennas hat sich jedoch als viel zu gering erwiesen, um sie für solche Anwendungen nützlich zu machen. Das Problem ist, dass Rectennas zur Erfassung von Wärmestrahlung außerordentlich klein sein müssen. Je kleiner sie jedoch sind, desto größer wird ihr Widerstand, wodurch ihre Leistung sinken kann.

Jetzt haben Belkadi und ihre Kollegen einen Weg gefunden, die Effizienz der optischen Rectenna mithilfe eines Quanteneffekts, der in etwa den durch Wände gehenden Elektronen entspricht, drastisch zu steigern. Sie detailliert ihre Ergebnisse online 18. Mai in der Zeitschrift Naturkommunikation.

Bei herkömmlichen Rectennas müssen Elektronen einen Isolator passieren, um Strom zu erzeugen. Diese Isolatoren bieten einen hohen Widerstand und reduzieren die Menge an Strom, die diese Geräte erzeugen können.

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Mit einer kontraintuitiven Strategie fügten die Forscher ihren Rectennas zwei Isolatoren hinzu, anstatt nur einen. Wenn für diesen schmalen Graben die richtige Dicke und die richtigen Materialien gewählt werden – ein sogenannter “Quantentopf” – können Elektronen, die mit genau der richtigen Energiemenge auf ihn treffen, an ihm vorbei tunneln und dabei keinen Widerstand erfahren. Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler nachweisen, dass ein solches “resonantes Tunneln” mit optischen Rectennas möglich ist.

Die Wissenschaftler testeten eine Reihe von mehr als 250.000 bogenförmigen Rectennas aus Nickel, Nickeloxid, Aluminiumoxid, Chrom und Gold, die jeweils nur etwa 11 nm lang und 6 nm breit waren. Sie stellten fest, dass ihre Geräte eine 100- bis 1000-mal höhere Umwandlungseffizienz aufwiesen als frühere optische Rechtecke.

Die Umwandlungseffizienz dieser neuen Rectennas bleibt jedoch gering – nur 0,001%. “Wir haben noch einen langen Weg vor uns”, sagt Belkadi.

Eine mögliche Möglichkeit, die Effizienz der optischen Rectenna weiter zu steigern, besteht darin, mit verschiedenen Materialien zu experimentieren, durch die mehr Elektronen hindurchtreten können. “Vielleicht können wir die Umwandlungseffizienz noch 1000-mal steigern”, sagt Belkadi. “Bei einem Umwandlungswirkungsgrad von 1 bis 2% werden die Menschen angesichts der enormen Menge an Energie, die als Abwärme verloren geht, damit beginnen, solche Rectennas an Wände zu schlagen.”

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