מצילים את החום המבוזבז

פיתוח מקורות אנרגיה מתחדשים וניצול יעיל של מקורות אנרגיה קיימים חשובים מאוד, גם לשמירה על הסביבה וגם מסיבות כלכליות. תוצר הלוואי של תהליכים רבים הוא חום, שמשתחרר בתור קרינה תת-אדומה. אילו יכולנו להשיב אפילו חלק קטן מהאנרגיה המבוזבזת זו, שמקיפה אותנו כמעט מכל עבר, יכולנו לצמצם את השימוש במקורות אנרגיה יקרים ומזהמים הרבה יותר. 

צוות חוקרים מאוניברסיטת קולורדו בארצות הברית דיווח לאחרונה בכתב העת Nature Communications כי הצליח לפתח התקן שממיר קרינה תת-אדומה למתח חשמלי. לדברי החוקרים, יעילות המרת האנרגיה של המכשיר גבוהה פי מאה מהתקנים אחרים שקיימים כיום. הישג כזה עשוי לפתוח את הדרך לשימוש בקרינה תת-אדומה כמקור אנרגיה מתחדש.

גלים אלקטרומגנטיים הם הפרעות חשמליות ומגנטיות הנעות במרחב בצורה מחזורית, לכן ממיינים אותם לפי תדירותם, כלומר מספר הגלים בשנייה. יש גלים בעלי תדירות גבוהה מאוד, כמו קרני גמא וקרינת רנטגן, גלים בעלי תדירות נמוכה יותר כגון אור נראה וגלי מיקרוגל, וגלים בתדירות נמוכה מאוד כמו גלי רדיו. 

בשנות ה-60 של המאה ה-20 בנה המהנדס האמריקאי ויליאם בראון התקן שהצליח להפעיל מסוק קטן באמצעות קרני מיקרוגל. ההתקן, שנקרא רקטנה (Rectenna), כלל אנטנה שקולטת קרינה אלקטרומגנטית, ומיישר זרם (rectifier) שהופך את הזרם החשמלי המשתנה המתקבל מקליטת הגל האלקטרומגנטי לזרם ישר.

אין בעיה עם אנטנות גדולות, בסדרי גודל של סנטימטרים או מילימטרים. ממיר לביש לאנרגיה מגלי מיקרו | צילום: MW AHM, Wikipedia

האתגר הבא היה לבנות התקן דומה שינצל קרינה תת-אדומה, שהיא הצורה שבה אנרגיית החום "הולכת לאיבוד". הקושי נובע מכך שגודל האנטנה שמסוגלת לקלוט קרינה אלקטרומגנטית תלוי באורך הגל שלה. כדי לקלוט קרינת מיקרוגל אפשר להשתמש באנטנות באורך של כסנטימטר, לכן היא מתאימה מאוד לשימוש בטלפונים סלולריים ובנתבים (ראוטרים) ביתיים. לעומת זאת, אנטנות שקולטות קרינה תת-אדומה צריכות להיות הרבה יותר קטנות – בקנה מידה של מיקרונים (אלפיות המילימטר), אחרת הן לא יגיבו בצורה מיטבית לגלים שלה. אף שאין קושי טכנולוגי לייצר אנטנות זעירות כאלה, יש להן בעיה: ככל שהתקן אלקטרוני קטן יותר, כך גדלה בדרך כלל ההתנגדות החשמלית שלו. לכן היעילות של התקן לניצול קרינה תת-אדומה, המורכב מאנטנה מיניאטורית, צפויה להיות נמוכה מאוד.

התקן יעיל לניצול קרינה תת-אדומה צריך שתהיה לו התנגדות נמוכה מצד אחד, ויכולת להגיב מהר מאוד לתדר הגבוה של הקרינה התת-אדומה מצד שני. הבעיה היא שבכל ההתקנים שנבנו עד כה לניצול קרינה תת-אדומה לייצור חשמל, כל שיפור בהתנגדות הוביל לפגיעה בתגובתיות ולהיפך.

שיטה להשתמש בקרינה בתדירות גבוהה בלי להרוס את ההתנגדות. התקן "עניבת הפרפר" |צילום במיקרוסקופ אלקטרונים: Moddel lab, CU Boulder

פורץ המחסומים

כדי להתגבר על אתגר ההתנגדות הגבוהה השתמשו החוקרים בתופעת המינהור הקוונטי, שבה, בתנאים מסוימים, אלקטרונים יכולים לעבור דרך מחסומים שבתנאים אחרים לא היו מאפשרים להם לעבור. אפשר להמשיל את זה לכדורסל שבתנאים מסוימים יכול לעבור דרך קירות.  

השימוש במנהור אִפשר לחוקרים לבנות התקן שמסוגל להתמודד עם אורך הגל הקטן של הקרינה התת-אדומה, שמחייב להשתמש באנטנה קטנה, אך בלי להגדיל את ההתנגדות בצורה שתהרוס לגמרי את יעילותו. האנטנה שלו מזכירה עניבת פרפר המורכבת משתי מתכות – זהב ואלומיניום – שביניהן, כמו בכריך, הוכנסו שתי שכבות דקות מאוד מחומרים מבודדים – שכבה בעובי של 4 ננומטרים (מיליוניות המילימטר) של תחמוצת ניקל ושכבה נוספת של תחמוצת אלומיניום בעובי של 1.3 ננומטר. דווקא הבידוד הנוסף, שלכאורה אמור להעלות את ההתנגדות של ההתקן, יוצר את התנאים המתאימים למינהור הקוונטי ומפחית את ההתנגדות שהאלקטרון צריך לעבור במהלך חציית ההתקן.

דווקא הבידוד יוצרת את התנאים המתאימים למעבר של אלקטרונים. הדמייה של מינהור קוונטי | איור: NeoLeo, Shutterstock

כדי לבנות מיישר זרם שיקיים את התנאים המתאימים למנהור נעזרו החוקרים בהדמיות ממוחשבות. הם האירו עליו בלייזר תת-אדום, וכשמדדו את המתח החשמלי שנוצר בו התברר שההתקן יעיל פי מאה מההתקן היעיל ביותר שקדם לו.

מדובר בצעד חשוב לייצור קולטים שינצלו מחדש חום עודף שנפלט למשל ממכשירים חשמליים סביבנו, אך האם זה מספיק? בהודעה לעיתונות ציינה המחברת הראשית של המאמר, אמינה בלקדי (Belkadi), כי בניסוי נוסף היא בנתה מערך של 250 אלף התקנים וחיברה אותם לפלטת חימום. ההתקנים קלטו לדבריה רק פחות מאחוז מהחום שנפלט מהפלטה, אך בלקדי אופטימית שיעילות ההתקנים עוד תשתפר.