Lompat ke konten Lompat ke sidebar Lompat ke footer

Properti Aneh dari Alam Kuantum Memungkinkan Pemanenan Energi yang Efisien di Perangkat Kecil

Para ilmuwan di University of Colorado Boulder telah memanfaatkan properti elektron seperti poltergeist untuk merancang perangkat yang dapat menangkap kelebihan panas dari lingkungan mereka - dan mengubahnya menjadi listrik yang dapat digunakan.

Para peneliti telah menggambarkan "rektenna optik" baru mereka dalam sebuah makalah yang diterbitkan hari ini (18 Mei 2021) di jurnal Nature Communications . Perangkat ini, yang terlalu kecil untuk dilihat dengan mata telanjang, kira-kira 100 kali lebih efisien daripada alat serupa yang digunakan untuk pemanenan energi. Dan mereka mencapai prestasi itu melalui proses misterius yang disebut "penerowongan resonansi" - di mana elektron melewati materi padat tanpa menghabiskan energi apa pun.

IMAGES
Gambar: lpdpugm.or.id

“Mereka masuk seperti hantu,” kata penulis utama Amina Belkadi, yang baru-baru ini mendapatkan gelar PhD dari Departemen Teknik Listrik, Komputer dan Energi (ECEE).

Rectennas (kependekan dari “rectifying antennas”), jelasnya, bekerja seperti antena radio mobil. Tapi alih-alih mengambil gelombang radio dan mengubahnya menjadi nada, rectennas optik menyerap cahaya dan panas dan mengubahnya menjadi tenaga.

Mereka juga merupakan pengubah permainan potensial di dunia energi terbarukan. Rektennas yang bekerja dapat, secara teoritis, memanen panas yang berasal dari cerobong asap pabrik atau oven roti yang jika tidak akan terbuang sia-sia. Beberapa ilmuwan bahkan telah mengusulkan pemasangan perangkat ini di kapal udara yang akan terbang tinggi di atas permukaan planet untuk menangkap energi yang memancar dari Bumi ke luar angkasa.

Namun, sejauh ini, rectennas belum mampu mencapai efisiensi yang dibutuhkan untuk memenuhi tujuan tersebut. Sampai sekarang, mungkin. Dalam studi baru, Belkadi dan rekan-rekannya telah merancang rectennas pertama yang mampu menghasilkan tenaga.

“Kami mendemonstrasikan untuk pertama kalinya elektron menjalani tunneling resonansi dalam rectenna optik pemanen energi,” katanya. “Sampai sekarang, itu hanya kemungkinan teoretis.”

Rekan penulis studi Garret Moddel, profesor ECEE, mengatakan bahwa studi ini merupakan kemajuan besar untuk teknologi ini.

“Inovasi ini membuat langkah signifikan untuk membuat rectennas lebih praktis,” katanya. “Saat ini, efisiensinya sangat rendah, tetapi akan meningkat.”

Masalah yang tak terkalahkan

Ini adalah perkembangan yang telah dinanti-nantikan oleh Moddel, yang telah menulis buku tentang perangkat ini sejak lama. Rectennas telah ada sejak 1964 ketika seorang insinyur bernama William C. Brown menggunakan gelombang mikro untuk menggerakkan helikopter kecil. Mereka adalah alat yang relatif sederhana, terdiri dari antena, yang menyerap radiasi, dan dioda, yang mengubah energi itu menjadi arus DC.

"Ini seperti penerima radio yang menangkap cahaya dalam bentuk gelombang elektromagnetik," katanya.

Masalahnya, bagaimanapun, adalah bahwa untuk menangkap radiasi termal dan bukan hanya gelombang mikro, rectennas harus sangat kecil — berkali-kali lebih tipis dari rambut manusia. Dan itu dapat menyebabkan berbagai masalah. Semakin kecil perangkat listrik, misalnya, semakin tinggi resistansinya, yang dapat mengecilkan output daya dari sebuah rectenna.

“Anda membutuhkan perangkat ini untuk memiliki resistansi yang sangat rendah, tetapi juga harus benar-benar responsif terhadap cahaya,” kata Belkadi. "Apa pun yang Anda lakukan untuk membuat perangkat lebih baik dalam satu cara akan membuat yang lain lebih buruk."

Selama beberapa dekade, dengan kata lain, rectennas optik tampak seperti skenario yang tidak menguntungkan. Sampai Belkadi dan rekan-rekannya, yang termasuk peneliti pascadoktoral Ayendra Weerakkody, menemukan solusi: Mengapa tidak menghindari hambatan itu sepenuhnya?

Solusi hantu

Pendekatan tim bergantung pada sifat aneh dari alam kuantum.

Belkadi menjelaskan bahwa dalam rectenna tradisional, elektron harus melewati isolator untuk menghasilkan daya. Isolator ini menambah banyak hambatan pada perangkat, mengurangi jumlah listrik yang dapat dikeluarkan oleh para insinyur.

Namun, dalam studi terbaru, para peneliti memutuskan untuk menambahkan dua isolator ke perangkat mereka, bukan hanya satu. Penambahan itu memiliki efek berlawanan dengan menciptakan fenomena energik yang disebut "sumur" kuantum. Jika elektron mengenai sumur ini dengan energi yang tepat, mereka dapat menggunakannya untuk menembus dua isolator — tidak mengalami hambatan dalam prosesnya. Ini tidak seperti hantu yang melayang melalui dinding tanpa gangguan. Seorang mahasiswa pascasarjana dalam kelompok riset Moddel sebelumnya telah berteori bahwa perilaku spektral seperti itu mungkin terjadi dalam rectennas optik, tetapi, sampai sekarang, tidak ada yang bisa membuktikannya.

“Jika Anda memilih bahan dengan benar dan mendapatkan ketebalan yang tepat, maka itu menciptakan tingkat energi semacam ini di mana elektron tidak melihat hambatan,” kata Belkadi. "Mereka hanya melakukan zooming."

Dan itu berarti lebih banyak kekuatan. Untuk menguji efek seram, Belkadi dan rekan-rekannya menyusun jaringan sekitar 250.000 rectennas, yang berbentuk seperti dasi kupu-kupu kecil, ke piring panas di laboratorium. Kemudian mereka menyalakan api.

Perangkat mampu menangkap kurang dari 1% dari panas yang dihasilkan oleh hot plate. Tetapi Belkadi berpikir bahwa angka-angka itu hanya akan naik.

“Jika kami menggunakan bahan yang berbeda atau mengganti isolator kami, maka kami mungkin bisa membuatnya lebih dalam,” katanya. "Semakin dalam sumur, semakin banyak elektron yang bisa melewatinya."

Moddel menantikan hari ketika rectennas duduk di atas segalanya mulai dari panel surya di tanah hingga kendaraan yang lebih ringan dari udara di udara: “Jika Anda dapat menangkap panas yang memancar ke luar angkasa, maka Anda bisa mendapatkan daya kapan saja, di mana saja .”

Powered By NagaNews.Net