Амелин Даниил
ученик 10 класса МОУ «Гимназия №6»
г. Волгоград
Энергетика будущего, альтернативные источники энергии
Перспективы развития нантенн
Энергетический кризис - состояние экономики, характеризующееся крупномасштабным дефицитом топливноэнергетических ресурсов[i]. Эта проблема является одной из самых обсуждаемых в современном мире. То и дело каждые десять лет мир сотрясает нехватка энергоносителей[ii], а на «каждом углу» говорят о заканчивающийся нефти[iii]. Таким образом всё больше внимания уделяется альтернативной энергетике, «энергии будущего». Инвестиции в этот спектр экономики с каждым годом всё растут и растут[iv], а учёные придумывают новейшие пути нетрадиционной добычи энергии такие как: ветроэнергетика (автономные ветрогенераторы), биотопливо (биогаз, биомасса и т.д.), гелиоэнергетика ( Наноантенны, солнечные коллекторы,), альтернативная гидроэнергитика (приливные электростанции или ПЭС, мини и микро ГЭС, энергия температурного градиента морской воды), геотермальная энергетика (тепловые электростанции, грунтовые теплообменники), грозовая энергетика, криоэнергетика, гравитационная, управляемый термоядерный синтез, водородная энергетика (водородные двигатели, биоводород и топливные элементы), космическая энергетика (Получение электроэнергии в фотоэлектрических элементах, расположенных на околоземной орбите или на Луне) и распределённая энергетика[v]. Я решил более подробно изучить гелиоэнергетику, а если быть точнее, то на наноантенны. Выбрал я их, так как считаю, что нантенны являются самой прибыльной технологией в отрасли альтернативной энергетики, которая, к моему сожалению, более активно развивается на Западе, а не у нас.
И так, что же такое наноантенны? Наноантенны или нантенны – это устройство, преобразующее солнечную энергию в электрический ток, работающее в оптическом диапазоне длин волн электромагнитного излучения. Данный девайс способен поглотить свет любой волны, необходимо лишь подстроить устройство под нужный диапазон 
В таблице представлена[vi] зависимость длины волны, частоты и энергии фотона, которую можно извлечь при помощи данного элемента. В теории механизм таков: падающий на антенну свет, колебаниями своего электрического поля вызывает колебания электронов в антенне с той же частотой, что и частота волны. После детектирования тока при помощи выпрямителя, достаточно его преобразовать, и можно подавать энергию для питания нагрузки[vii]. Само же устройство основывается на двух ключевых элементах: 1) оптической антенне, эффективно собирающую солнечную радиацию и 2) высокочастотной металл-изолятор-металл (metal-insulator-metal, MIM) туннелирующем диоде, выпрямляющий поле переменного тока, обеспечивая тем самым постоянным током на внешнюю нагрузку[viii]. Помимо этого, наноантенны могут поглощать так же и инфракрасное излучение8. КПД таких ректенн варьируется от их режима работы. Так в квантовом режиме работы максимальный КПД ограничен пределом Тривича-Флинна и составляет 44%, т.е больше подняться не может. Тип этого режима зависит от параметра 
(более подробно об этом параметре см. источник[ix]). При значениях α много меньше единицы структура работает в квантовом режиме, характеризующемся тем, что электроны могут поглощать только отдельные фотоны Однако в классическом режиме работы это не так9. Но хоть и у наноантенн более высокий КПД в сравнении с классическими СБ (солнечные батареи) с кремневыми фотоэлементами максимальный КПД составляет 33%, не превышая предела Шокли-Квиссера)[x], они до сих пор не выпускаются массово, из-за отсутствия нужной технологии, что является несомненно весомым минусом для данной технологии: на данный момент основная часть нантенн производится при помощи фокусированного ионного травления(ФИТ), так же называемый метод ионно-лучевой фрезеровки(ИЛФ)[xi] или электронно-лучевой литографии(ЭЛ)[xii], но все эти способы не позволяют делать оптические ректенны в большом количестве. Но сегодня этот вопрос активно решают: создаются новые методы для более быстрого получения этого устройства[xiii]. Помимо высокого КПД материалы, из которых изготавливают данный механизм, намного дешевле тех, из которых собирают СБ[xiv] и составляет 5-10 долларов США, заместо 400-1000 долларов США14. Но несмотря на все достоинства данного девайся, у него есть один большой минус, а именно отсутствие хорошого выпрямителя: обычно применяемые в радиодиапазоне диоды с барьером Шоттки и p–n-диоды не обладают достаточным быстродействием для работы в ИК- и оптическом диапазонах. Но эту проблему тоже можно сказать решили: инженеры придумали и реализовали МДМ-диоды9. На деле единственным недостатком, останавливающий стремительное развитие нантенн является отсутствие хорошего выпрямителя, способного работать на высоких частотах, а также методов массового производства данного устройства.
Очевидно, что у этой технологии есть будущее, причём очень большое. И как неравнодушный и предприимчивый человек я не могу стоять в стороне и ждать, когда за меня всё сделают, поэтому я придумал, как улучшить наноантенны. Идея такова: вместо использования одной нантенны мы будем использовать несколько, одна из которых будет работать в допустимом диапазоне ИК излучения! Как я писал выше, существуют нантенны, способные поглощать ИК излучение и переводить его в переменный ток7. Так вот, из-за несовершенства преобразующей техники часть энергии уходит в тепло, поэтому мы сделаем «подложку» под первую ректенну. На рисунке (1) представлена «схема» устройства. 
Цифра 1 обозначает первую наноантенну, которая будет собирать солнечный свет, под 2 подразумевается высокочастотный металл-диэлектрик-металл диод, он же МДМ, он же и MIM(metal-insulator-metal), который будет переводить часть AC (переменный ток) в DC (постоянный ток), но, как мы помним, MIM диоды несовершенные, поэтому часть тока будет уходить в тепло, и тут начинает работать вторая наша ректенна, обозначенная цифрой 3, она «ловит» ИК излучение и преобразует его в AC ток, который идёт к под цифрой 4, и там спокойно выпрямляется, так как устройство под цифрой 3 фиксирует ИК излучение только в допустимом диапазоне, и в итоге ток из объекта 2 и 4 соединяется в едино – цикл завершается. К сожалению, рассчитать КПД такой машины, без выбора определённых элементов, невозможно, но в тоже время это хорошо, так как КПД данного механизма может расти при выборе хороших деталей, а так как его КПД хочешь не хочешь, но выше КПД СБ в любом случае, то это значит, что люди, которые не могут позволить купить «элитную», дорогую версию этого девайса, с высокой вероятностью смогут купить более дешёвую версию из менее затратных в материальном плане компонентов. И это всё делает моё устройство действительно народным, что несомненно хорошо как и для бизнеса, так и для людей. Данная схема пришла мне в голову, когда я искал материал по наноантеннам и наткнулся на работу одного студента. Я был приятно удивлён, что данную тему изучают наши будущие учёные и что нантенны заинтересовали не только меня одного. (Посмотреть как этот этот студент видит решение проблемы нантенн можно, перейдя по ссылке6)
Мне очень понравилось работать над этим эссе, так как я открыл много нового. И я действительно искренне верю в то, что наноантенны будут использоваться повсеместно и теория нантенн будет решительным шагом идти в своё светлое будущее. Спасибо за внимание!
____________________________________
[i] Источник - «Глобальная экономика. Энциклопедия» Куликов И.М.
[ii] Энергетический кризис в Калифорнии - https://www.svoboda.org/a/24224371.html
Энергетический кризис на Кубе - https://ria.ru/20041003/697663.html
Энергетический кризис в Москве - https://tass.ru/info/1992764
[iii] О заканчивающийся нефти - https://ria.ru/20191012/1559682620.html
[iv] Инвестиции в альт-энергию - https://unfccc.int/news/green-economy-overtaking-fossil-fuel-industry-ftse-russel-report
[v] Виды альтернативной энергии - https://ru.wikipedia.org/wiki/Альтернативная_энергетика#cite_note-14
[vi] Таблица - https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/63789/1/ere_2015_131.pdf
[vii] Описание теоретического механизма работы нантенн- http://electrik.info/main/news/1120-nanoantenny-ustroystvo-primenenie.html
[viii] Строение нантенны- https://www.nrel.gov/docs/fy03osti/33263.pdf
[ix] О КПД - https://sciencejournals.ru/view-article/?j=izvfiz&y=2019&v=83&n=1&a=IzvFiz1901026Vu
[x] Предел Шокли-Квиссера - https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0038092X16001110?via%3Dihub (таблица)
http://solarcellcentral.com/limits_page.html - статья
[xi] ФИТ и ИЛФ - https://cyberleninka.ru/article/n/izgotovlenie-i-eksperimentalnoe-issledovanie-metallicheskih-nanoantenn-prednaznachennyh-dlya-povysheniya-fotopogloscheniya-v/viewer
[xii] ЭЛ - https://nauka.tass.ru/nauka/6815998
[xiii] Новый способ - https://nauka.tass.ru/nauka/6818718
[xiv] Стоимость наноантенн - https://newsland.com/community/4765/content/nanoantenna-ustroistvo-preobrazovaniia-solnechnoi-energii-v-elektricheskii-tok/4934587
Стоимость наноантенн(2) - https://www.sciencedebate2008.com/nanoantenna-and-solar-power/