Исследователи из Научно – технологического университета имени короля Абдаллы (KAUST), расположенного в Саудовской Аравии, недавно разработали технологию высокоэффективной конверсии тепловых потоков в электрическую энергию. В качестве источников тепла могут быть использованы геотермальные ресурсы, солнечное излучение, а также избыточное тепло от теплоэлектростанций и промышленных объектов. Фундаментом данной технологии является квантовое туннелирование — физический эффект, при котором электроны способны преодолевать энергетические барьеры, недоступные им в рамках классической механики. Этот эффект используется сейчас достаточно широко, за его счет работают туннельные электронные компоненты, сканирующие туннельные микроскопы и некоторые элементы квантовых вычислительных систем.

Для прямого преобразования тепла требуется специальная антенна, которая воспринимает тепловую энергию как высокочастотные электромагнитные волны, что, в свою очередь, позволяет преобразовать тепло напрямую в электричество.

“Однако, на свете еще не существует диода, способного работать на частоте, соответствующей частоте фотонов инфракрасного света” – рассказывает Атиф Шэмим (Atif Shamim), ведущий исследователь, – “Именно поэтому мы обратили свое внимание на эффект квантового туннелирования”.

Исследователи создали структуру, состоящую из антенны, рассчитанной на диапазон инфракрасного света и МДМ-диода (metal-insulator-metal diode). Основой этого диода является крошечный промежуток, через который могут перескакивать электроны, имеющие энергию, недостаточную для того, чтобы сделать это же самое с точки зрения классической физики. Но, как только электроны перепрыгивают через барьер за счет эффекта квантового туннелирования, возникает электрический заряд, который можно превратить в электрический ток.

Данная технология может быть использована в солнечных батареях, которые сейчас собирают лишь небольшой процент энергии, которая поступает вместе с солнечными лучами. Большая же часть энергии, которая приходится на энергию инфракрасного света, попросту теряется. “Все это является только началом. Пока мы получили доказательства работоспособности новой технологии” – рассказывает Атиф Шэмим, – “Я надеюсь, что в скором времени нам удастся создать устройства, на поверхности которых находятся миллионы антенн и туннельных переходов, которые смогут стать основой еще одного вида энергетики”.

Для любознательных

На сегодняшний день разработка технологии преобразования тепла Земли — в частности, инфракрасного (ИК) излучения, которое планета излучает в космос — в электрическую энергию с использованием квантового туннелирования активно ведётся. Основной прорыв в этой области связан с исследователями из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы (KAUST) в Саудовской Аравии, но в России и других странах также ведутся смежные исследования, особенно в области квантовых устройств и наноэлектроники.

🔬 Кто разрабатывает технологию?

1. Атиф Шамим и его команда (KAUST, Саудовская Аравия)

• Ключевая разработка: создание наноантенны в форме галстука-бабочки, способной улавливать ИК-излучение Земли.
• Принцип работы: используется туннельный эффект в структуре металл–диэлектрик–металл (МДМ).
• Электроны проходят через тонкий диэлектрический барьер (порядка нанометров) за счёт квантового туннелирования, преобразуя высокочастотные ИК-волны в постоянный ток.
• Устройство работает при нулевом внешнем напряжении, включаясь только при наличии ИК-излучения.

Это пока демонстрация концепции, но учёные считают, что, объединив миллионы таких наноантенн, можно будет генерировать значимые объёмы энергии — даже ночью.

2. Российские учёные: графен и низкое энергопотребление

Хотя в России нет прямых аналогов проекта KAUST, российские и японские исследователи разработали транзистор на основе графена, использующий тот же туннельный эффект, но для других целей — создания сверхэффективной электроники.

• Особенность: туннелирование в графеновых структурах позволяет достичь рекордно низкого энергопотребления.
• Это важно, потому что такие технологии могут быть интегрированы в будущие системы сбора энергии.
• Участники: учёные из Московского физико-технического института (МФТИ) и университета Тохоку (Япония).

Другие страны и направления

3. США — Нобелевская премия по физике 2025 года

В 2025 году Нобелевскую премию по физике получили Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис за эксперименты, доказавшие возможность макроскопического квантового туннелирования в сверхпроводящих цепях.

• Их работа показала, что вся система (миллионы электронов) может туннелировать как единое целое.
• Это открывает путь к созданию квантовых энергетических устройств, в том числе для преобразования тепловых флуктуаций в ток.

4. Европа — сканирующие туннельные микроскопы и энергия

• В Германии и Швейцарии исследуют тепловое туннелирование на наноуровне.
• Учёные из ETH Zurich и Макс-Планк-института изучают, как можно использовать разницу температур между двумя поверхностями для генерации тока через туннельные переходы.

Почему это важно?

• Земля ежесекундно излучает миллионы гигаватт ИК-энергии — это в тысячи раз больше, чем мировое энергопотребление.
• Современные солнечные панели работают только днём и не улавливают ИК.
• Новые устройства на основе квантового туннелирования могут работать круглосуточно, собирая тепло даже ночью.

Технические вызовы

• Частота ИК-волн очень высока — терагерцы, а обычные диоды не успевают переключаться.
• Решение: использовать МДМ-диоды, где туннелирование происходит за фемтосекунды.
• Материалы: золото, титан, оксиды алюминия или азота в качестве диэлектрика.

Будущее

• Учёные KAUST планируют масштабировать технологию, создавая пленки с миллиардами наноантенн.
• Возможное применение: гибкие энергосборщики на зданиях, автомобилях, одежде.
• В России интерес к таким технологиям растёт, особенно в рамках национального проекта «Цифровая экономика» и исследований в Роскванте.