Rektena pro přeměnu odpadního tepla na elektřinu. Kredit: Randy Montoya/Sandia National Laboratories.

Když někdo chce převést elektrickou energii přímo na teplo, tak to není nic těžkého. Dovede to průměrně zdatný toustovač. Jenomže opačně, tedy přeměnit tepelnou energii přímo na elektřinu, to už tak jednoduché není. Nedávno to dokázali vědci a inženýři kalifornských laboratoří Sandia National Laboratories, kteří vyvinuli malé zařízení založené na křemíku, jenž umí těžit odpadní teplo a proměnit ho na stejnosměrný elektrický proud. Jejich výzkum uveřejnil časopis Physical Review Applied.

Paul Davids a jeho kolegové vymysleli novou metodu, která umožňuje „zachraňovat“ energii, co se jinak ztrácí v podobě tepla. Teplo vytváří každý motor, motory automobilů nevyjímaje. Davids si ale představuje hybridní auta, v nichž by podobná zařízení konvertovala tepelnou energii na elektřinu a ta byla opět k dispozici. Jejich technologie by to časem mohla umožnit.

Paul Davids. Kredit: P.Davids.

V nejbližší době by Davids a spol. rádi novou technologii uplatnili ve vývoji kompaktních infračervených generátorů energie, které by měly nahradit či doplnit dnešní radioizotopové termoelektrické generátory (RTG). Takové generátory se používají ve vesmírných misích v případech, kdy solární panely nejsou vhodné či dostačující pro přísun potřebné energie.

Nové zařízení je rektena (rectenna, rectifying antenna), čili anténa, která konvertuje elektromagnetické záření na stejnosměrný elektrický proud. Postavili ji z běžných materiálů, jako je hliník, křemík a sklo, které jsou zkombinované velmi neobvyklými způsoby. Pokud jde o velikost, tak je tato rektena menší než nehet malíčku. Horní vrstvu tvoří hliník pokrytý velmi jemným vzorem, s pruhy asi 20 krát užšími než lidský vlas. Tato vrstva slouží jako anténa pro zachycování infračerveného záření, čili tepla.

Sandia National Laboratories.

Mezi svrchní hliníkovou vrstvou a spodní vrstvou tvořenou křemíkem je velice tenka vrstva oxidu křemičitého, čili skla. Její tloušťka je pouhých 20 atomů křemíku. Do této prostřední vrstvy směřuje infračervené záření, které zachytí hliníková anténa. Když se infračervené záření dostane do oxidu křemičitého, tak tam vyvolá extrémně rychlé elektrické oscilace, asi tak 50 bilionů za sekundu. Přitom dochází k prohazování elektronů mezi hliníkem a křemíkem, které je asymetrické. Výsledkem procesu, který je podobný přeměně střídavého proudu na stejnosměrný usměrňovačem (rectification), je stejnosměrný elektrický proud.

V současné podobě infračervená rektena vytváří 8 nanowattů na čtvereční centimetr, po ozáření tepelnou lampou dosahující teploty 840 °C. Pro představu, typická kalkulačka na solární pohon potřebuje kolem 5 mikrowattů, takže by ji utáhla infračervená rektena o něco větší než list papíru A4. Davids s kolegy mají ale spoustu nápadů, jak rektenu vylepšit, takže se její účinnost bude pravděpodobně dále zvyšovat.

Infračervená rektena nemá žádné pohyblivé části, což zvyšuje její spolehlivost a trvanlivost. Výhodou je i to, že se přímo nedotýká zdroje tepla. V Sandii postavili tuto rektenu z běžných materiálů a s využitím standardních technologií pro výrobu elektroniky. To velmi usnadní případnou průmyslovou výrobu nového zařízení. Podle autorů rekteny by ji měli zvládnout vyrobit v komerční továrně na integrované obvody. 

Video:  Sandia's Microsystems Science & Technology Center


Literatura
DOE/Sandia National Laboratories 9. 7. 2018, Physical Review Applied 9: 054040.