Neutrina są cząstkami elementarnymi wytwarzanymi między innymi przez Słońce, kulę ziemską, elektrownie jądrowe, eksplozję gwiazd czy promieniowanie kosmiczne na atmosferę ziemską. W każdej sekundzie tryliony z nich bombardują nasze ciała i z niewielkim oporem przechodzą przez prawie wszystkie materiały, zarówno syntetyczne, jak i naturalne. 

Bardzo długo trudno było udowodnić ich istnienie przez fakt, że praktycznie nie oddziałują na materię i nie posiadają ładunku elektrycznego. Aby unieruchomić jedno neutrino, na jego drodze musielibyśmy ustawić płytę ołowiu o grubości jednego roku świetlnego (9,5 bilionów kilometrów).

Przez dziesiątki lat naukowcy uważali, że neutrina, podobnie jak fotony, nie posiadają masy. Okazało się jednak, że nie jest to prawdą. To przełomowe odkrycie zostało nagrodzone Nagrodą Nobla w 2015 roku, jednak dopiero w 2022 roku badaczom z Instytutu Technologicznego Karlsruhe (KIT) udało się precyzyjnie określić jego masę, która wynosi mniej niż jeden elektronowolt. Dla porównania masa elektronu wynosi nieco ponad pół miliona elektronowoltów (0,511 MeV). 

Odkrycie, że neutrina posiadają masę, stało się podstawą dla technologii neutrinowoltaicznej, ze względu na fakt, że energia i masa są równoważne (e=mc²). Naukowcy twierdzą, że te niewielkie cząsteczki wraz ze swoim promieniowaniem stanowią ogromny rezerwuar energii kinetycznej. W związku z tym badacze z Neutrino Energy Group pracują nad technologią, która będzie w stanie ją wykorzystywać.

Technologia neutrinowoltaiki

Technologia neutrinowoltaiczna wykorzystuje wielowarstwowy nanomateriał, składający się głównie z grafenu i krzemu.

Naukowcy zdecydowali się na wykorzystanie grafenu, ponieważ jest jedynym obecnie znanym materiałem, który należy do materiałów 2D, ale może stabilnie istnieć tylko w trójwymiarowym układzie współrzędnych.

Ponadto gęstość prądu dla grafenu jest aż milion razy wyższa niż dla miedzi i charakteryzuje się rekordową mobilnością nośników ładunku, a zaprojektowany na jego bazie z materiał jest niezwykle elastyczny i wytrzymały. Te właściwości zadecydowały o wykorzystaniu go w technologii neutrinowoltaicznej. 

Innowacyjny nanomateriał jest zaprojektowany w taki sposób, by rezonować w odpowiedzi na interakcje z neutrinami i ich promieniowaniem. Rezonans generuje prąd elektryczny, dzięki przekształceniu energii kinetycznej.

Na czym polega zjawisko rezonansu? Neutrino, jako cząsteczka subatomowa, podlega prawom fizyki kwantowej. Oznacza to, że może wykazywać zarówno właściwości cząsteczek, jak i fal w zależności od metody obserwacji. Jak wskazuje Neutrino Science, ta dwoistość leży u podstaw zjawiska rezonansu w materiałach neutrinowoltaicznych. Kiedy neutrina oddziałują ze strukturą sieci nanomateriału, tworzą zaburzenie przypominające falę – rezonans – którą można wykorzystać jako energię elektryczną.

Co ciekawe, energii powstałej w ten sposób nie trzeba magazynować. Neutrina nieustannie znajdują się wszędzie, dlatego wystarczy opracować metodę ich wychwytywania i konwersji. 

Neutrinowoltaika w praktyce

Przełomowym osiągnięciem i flagowym produktem firmy Neutrino Energy Group jest Neutrino Power Cube (Kostka Mocy Neutrino).

Każda kostka stanowi bezpaliwowy system wytwarzania energii o mocy netto 5-6 kW. Jej praca jest bezgłośna i nie wytwarza szkodliwego promieniowania. Trzon urządzenia stanowi nanomateriał, który składa się z naprzemiennych warstw grafenu i krzemu, które są ułożone w taki sposób, że między dwiema warstwami krzemu znajduje się jedna warstwa grafenu. Warstwa grafenu jest osadzona na warstwie metalicznej - zazwyczaj wykorzystuje się aluminium. Liczba wszystkich warstw grafenowo-krzemowych waha się od 12 do 20 w zależności od wielkości i mocy urządzenia.

Tak skonstruowany nanomateriał nakładany jest na jedną stronę warstwy metalicznej, dzięki czemu strona z nanomateriałem jest biegunem dodatnim, a strona niepowleczona biegunem ujemnym. W efekcie w temperaturze pokojowej jedna płytka o wymiarach 200×300 mm ma napięcie ok. 1,5 V i natężenie ok. 2 A. 

Innowacyjna Kostka Mocy Neutrino będzie produkowane w fabryce w Korei Południowej prawdopodobnie na początku 2024 roku. Przewiduje się, że do 2029 roku roczna wielkość produkcji kostek neutrinowych osiągnie poziom 30 GW.

Źródło: National Geographic, Nature Physics, neutrino-energy.com, neutrino-science.com
Zdjęcie główne: Scientific American