中微子光伏发电技术(Neutrinovoltaic)简介

本发明受国际专利WO2016142056A1的保护。

中微子光伏发电技术(Neutrinovoltaic)，基于使用石墨烯(石墨单原子层)和掺杂硅交替层的多层纳米材料(类似锂离子电池叠片工艺)，将电磁辐射和热量转化为电能。

2010 年，安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因“二维材料-石墨烯的高级实验”获得诺贝尔物理学奖，为其在各个科学技术领域的应用开辟了广阔的领域。诺贝尔委员会表示，获奖者能够“证明单层碳具有源自令人惊叹的量子物理学世界的非凡特性”。石墨烯是碳的二维同素异形改性，由一层一个原子厚的碳原子形成。碳原子处于 sp² 杂化状态，并通过六边形二维晶格中的 σ 键和 π 键连接。

Neutrino Energy Group 制造的纳米材料含有交替涂在金属箔上的石墨烯和合金硅层，通常是铝箔，以降低电流源(电极)的生产成本.石墨烯是一种二维材料，可以表现为三维材料。它是将热辐射和电磁辐射转化为电流的指示器。石墨烯薄膜结构非常坚固和具有弹性。石墨烯的导热系数很高，这与高导电性相结合，提供了比铜薄膜中可能的最大电流高出一百万倍的电流传输能力。当温度升高时，根据费米-狄拉克分布，一些电子进入导电区，在价区留下“空穴”。这就决定了石墨烯在室温下的导电性。导电电子和石墨烯中的“空穴”的有效质量为零，即它们不能静止，但总是以“费米速度”移动，在石墨烯中，费米速度约为106米/秒，这是相对论的。由于石墨烯中电荷载体的迁移率非常高，至少比硅中的迁移率高2个数量级，以及它们沿薄膜运动的“弹道”性质。室温下电子导电和石墨烯空穴的自由行程长度超过1微米。

各种电磁辐射和温度的影响导致了“石墨烯”波的出现，这些波可以通过放大显微镜观察到。通过接触硅层，石墨烯释放电子，从而产生电流。石墨烯的主要特性，使其能够用于产生电流，是其原子的增加振荡。现在科学界已经证明，石墨烯不可能存在于二维平面上，而只能存在于三维平面上。来自阿肯色大学的一组科学家对石墨烯进行了研究，石墨烯被应用于铜板上。他们用扫描隧道显微镜观察了原子位置的变化.这是一个非常有意义的发现，在石墨烯有一个波浪，就像海面上的波浪，这是由于小的自发运动的结合，并导致更大的自发运动的出现。一个原子的热位移(原子的布朗运动)与其他原子的热位移相加，产生水平极化的表面波，在声学上被称为列瓦波。由于石墨烯晶体晶格的特殊性，它的原子在串联中振荡，这与液体中分子的自发运动不同。

阿肯色大学的蒂巴多教授在接受《研究前沿》杂志采访时说：“这是利用二维材料运动作为不竭能源的关键。串联振动在石墨烯板中产生涟漪，从而利用最新的纳米技术从周围空间提取能量。”

Neutrino Energy Group的实验结果得到了ETH(Eidgenössische Technische Hochschule，Zürich)教授Vanessa Wood及其同事的独立验证，结果表明，当材料的尺寸小于10到20纳米，即比人类头发直径小5000倍时，纳米颗粒表面外原子层的波动很大，对这种材料的行为方式起着重要作用。这些原子振动，或“声子”，负责电荷和热量如何在材料中转移。考虑到，例如：如果石墨烯原子的振荡比硅原子的振荡强100倍，那么电磁辐射的外效应频率叠加，包括中微子的作用在内，对石墨烯波振荡的内部频率加强了这种振荡，并导致原子振荡的共振。共振中的原子振荡使电子在接触合金硅时产生更大的输出。

有必要特别注意中微子的影响。 2015 年，诺贝尔物理学奖授予了两个研究中微子特性的实验小组 Super-Kamiokande 和 SNO 的负责人 Takaaki Kajita 和 Arthur B. McDonald。他们的工作有力地证明了中微子的三种味道，它们能够振荡——在飞行中自发地彼此转化。在与基本粒子的反应中诞生的可能是某一类中微子，而在空间中传播的可能是某一质量的中微子。正是质量的证明，即能量的存在，是将中微子能量转化为电流的理论可能性的关键论据。

直到最近，人们仍然认为中微子不与物质相互作用，宇宙中微子穿透地球，没有遇到任何障碍。但是，橡树岭国家实验室(美国)的 COHERENT 合作的最新出版物使完整的图景成为可能。她的作品汇集了来自四个国家19个研究所的80人，包括俄罗斯(以AI Alikhanov命名的ITEP(NC“库尔恰托夫研究所”)、MEPHI大学和MIPT)。 2017 年的第一次实验，其结果发表在《科学》杂志上，旨在研究中微子与铯和碘原子核的相互作用。由于中微子是电中性的并且与物质的相互作用非常弱，因此观察这种相互作用需要开发探测器技术。由于铯和碘的原子核比较大和重，中微子是电中性的，与物质的相互作用非常弱，原子核与中微子相互作用的反冲非常微弱，得到的结果无法得出最终结论被绘制。因此，研究人员进行了中微子与氩原子核相互作用的实验，氩原子核比铯和碘的原子核轻。发现低能中微子参与与氩原子核的弱相互作用。这个过程称为相干弹性中微子核散射 (CEVNS)。中微子，就像网球击打保龄球一样，“击中”原子的大而重的原子核，并向其传递微量能量。结果，核心几乎在不知不觉中弹跳起来;低能中微子参与与物质原子核的弱相互作用。由于石墨烯是碳，其原子质量比氩原子质量轻，因此中微子与碳核相互作用的影响会比与氩更明显，导致石墨烯原子的振动幅度增加(石墨烯波)。因此上，可以认为以每秒 600 亿个粒子的强度落在地球表面 1 cm2 上的中微子的能量可以转化为电流，这种转化不受天气条件或季节的影响，并在白天和晚上都保持稳定。

瑞士理工学院对 Neutrinovoltaic 技术的独立测试表明，在混凝土掩体和法拉第笼中地下 30-35 米深度的能量电池的测试测试完全排除了除中微子之外的任何辐射对直流电的影响生成过程。在这些条件下，只有中微子可以与测试的纳米材料相互作用。然而，即使在这样的条件下，这些设备也测量到了 2.5-3.0 W 的功率，这是从 A4 纸尺寸的大小的金属箔获得的，该金属箔的一侧涂有多层纳米涂层，由 Neutrino Energy Group 制造。

麻省理工学院也在研究通过使用石墨烯和氮化硼获得直流电的可能性，但其成就和既定目标要温和得多，并且处于初级阶段。虽然需要注意的是，现阶段麻省理工学院仍然只是研究石墨烯以获得直流电。该研究所的科学家目前正在研究使用石墨烯和氮化硼将太赫兹(或 T 射线)波(频率介于微波和红外光之间的电磁波)转化为有用的能量。太赫兹波在我们的日常生活中很普遍，如果使用，它们的集中能量有可能作为替代能源。麻省理工学院的科学家们发现，通过将石墨烯与氮化硼结合，石墨烯中的电子必须扭曲其向一个大方向上的运动。任何传入的太赫兹波都必须像许多微型空中交通管制员一样“携带”石墨烯电子，以便它们可以像直流电一样沿一个方向流过材料。整体效应就是物理学家所说的“倾斜散射”，即电子云在一个方向上偏转其运动。 Neutrino Energy Group 制造的纳米材料中石墨烯层和掺杂的硅层叠加也发生了类似的机制。麻省理工学院材料研究实验室的主要研究员 Hiroki Isobe 表示：“如果我们能够将这种能量转化为我们日常生活中可以使用的能源，它将有助于解决我们现在面临的能源问题。”

一层石墨烯材料的铝箔片可以产生非常微弱的电流，但我们的任务是创造一种能够稳定输出工作电流的电池技术，并且该电池的尺寸比较紧凑(具有较高的能量转化效率和能量密度)。否则，这项技术就无法在商业上得到应用。这项技术是通过制造多层纳米材料来完成的，通过增加多次输出电流和电压来实现必要的效果。”通过这种硅和石墨烯层的组合，辐射开始了一个谐振过程，然后由一个电转换器储存下来。金属载体的覆盖面为正极，未覆盖面为负极。

多片涂有创新纳米材料的铝箔片，如同锂离子电池的叠片工艺类似，把极片依次串联组合，构成了一个能量电池单元。当多个电源单元的采用不同的组合连接方式时，形成所需尺寸和功率特性的直流电源。尺寸为9cmX32cmX42cm Neutrinovoltaic 电池(尺寸类似旅行小皮箱)，输出功率为4.5至5.5千瓦/小时。如此紧凑的尺寸和高转化率，使得Neutrinovoltaic电池用于供电的自主电源成为可能，包括给独立的房屋和电动汽车供电。