La neutrinovoltaïque
Les Neutrinos - découverte et exploitation
des particule subatomique
une énigme scientifique résolue
La neutrinovoltaïque est une technologie permettant de convertir le mouvement thermique (brownien) des atomes de graphène et l’énergie des champs environnants, des rayonnements invisibles, dont les neutrinos, en courant électrique grâce à un nanomatériau multicouche à base de graphène.
Les premiers brevets ont été déposées en 2013, et l’invention est désormais protégée par
le brevet international WO2016142056A1.
L'énergie neutrinovoltaïque
apporte la solution grâce au graphène
Bien que la technologie neutrinovoltaïque soit l’une des formes d’approvisionnement en énergie les plus récentes,
Neutrino Energy Group est heureux d’annoncer que cette technologie révolutionnaire
fait déjà sensation dans le monde entier. Issue de la combinaison des mots «neutrino»
et «photovoltaïque» , la technologie neutrinovoltaïque convertit l’énergie électrique à partir de
rayonnements non visibles.
Alors que la science dominante vient tout juste de s’entendre sur l’idée que des couches
extrêmement fines de carbone sont capables de réagir à l’énergie électrique et de la transporter, Holger Thorsten Schubart et l’équipe du Neutrino Energy Group travaillent d’arrache-pied au développement
d’une technologie neutrinovoltaïque utilisable depuis 2015.
Inspiré par la découverte captivante de 2015 selon laquelle les neutrinos ont en fait une masse, le PDG a consacré toutes les ressources du Neutrino Energy Group au développement de nouvelles technologies
capables de transformer cette masse éthérée et cette puissance en énergie utilisable.
Tout sur le Neutrino
Les recherches sur les particules de neutrinos et leurs interactions potentielles avec la matière se sont intensifiées depuis que Takaaki Kajita et Arthur B. McDonald, responsables de deux équipes expérimentales étudiant les propriétés des neutrinos (Super-Kamiokande et SNO), ont reçu le prix Nobel de physique 2015 pour avoir démontré que les neutrinos possèdent bel et bien une masse. Les travaux de ces scientifiques ont démontré de manière concluante que les trois espèces de neutrinos connues aujourd’hui peuvent osciller et se transformer spontanément l’une en l’autre.
Les neutrinos d’une espèce particulière peuvent naître de réactions avec des particules élémentaires, et ceux d’une masse donnée peuvent se propager dans l’espace.
La preuve de l’existence de la masse, et donc de l’énergie, constitue l’argument clé de la possibilité théorique de convertir l’énergie cinétique des neutrinos en courant électrique.
Cela a facilité la compréhension des résultats des travaux expérimentaux menés par les entreprises scientifiques et technologiques à l’origine du Neutrino Energy Group pour créer des métamatériaux capables de transformer l’énergie des champs de rayonnement environnants en courant électrique.
La technologie, appelée neutrinovoltaïque, qui ressemble beaucoup au photovoltaïque mais est
exempte de ses défauts critiques, a été développée par une équipe internationale de scientifiques dirigée par le mathématicien et scientifique allemand Holger Thorsten Schubart.
Pendant des années, on a cru que les neutrinos n’interagissaient pas avec la matière, de sorte que même les scientifiques
spécialisés dans ce domaine de recherche ont eu du mal à donner une réponse définitive quant à l’applicabilité des nouvelles découvertes.
L’absence d’unanimité au sein de la communauté
scientifique sur le rôle des neutrinos et l’absence de preuves de leur interaction avec des substances ont rendu difficile, dès le début, la défense par les développeurs de la technologie neutrinovoltaïque de la méthode proposée pour produire de l’électricité à partir de champs ambiants de rayonnements à spectre invisible.
Comment l'énergie des champs de rayonnement ambiant
est-elle convertie en courant électrique ?
Le mécanisme de transformation implique la création de vibrations dans les atomes de graphène, dont le réseau cristallin est hexagonal.
Dans le graphène, une onde, semblable à celle des vagues à la surface de la mer, naît de la combinaison de petits mouvements spontanés et entraîne des mouvements spontanés plus importants.
Le déplacement d’un atome, ajouté au déplacement
thermique des autres atomes, produit des ondes de surface à polarisation horizontale, appelées en acoustique « ondes de Lyav ».
En raison des particularités du réseau cristallin du graphène, ses atomes oscillent comme s’ils étaient en tandem, ce qui distingue ces mouvements des mouvements spontanés des molécules dans les liquides.
Par conséquent, le mouvement brownien thermique est également crucial dans le mécanisme de conversion d’énergie, car les vibrations des couches atomiques externes à la surface des
nanoparticules d’une épaisseur inférieure à 10-20 nanomètres jouent un rôle important dans le comportement de ce matériau.
En conséquence, si l’on ne peut pas garantir une application uniforme du graphène d’une épaisseur de 1 atome, l’efficacité de la conversion de l’énergie des champs de rayonnement en courant électrique chute fortement, c’est pourquoi le Neutrino Energy Group a dû travailler sur la conception d’équipements spéciaux pour l’application du graphène et du silicium sur des plaques métalliques de taille 200 × 300 mm et plus
Quel rôle joue le graphène dans la
technologie neutrinovoltaïque ?
Du fait de la présence d’un réseau cristallin hexagonal, les vibrations de ses atomes entraînent l’apparition d’une « onde de graphène » à sa surface, observable au microscope à haute résolution.
De nombreuses personnes se demandent : « Pourquoi utiliser le graphène et non, par exemple, le
graphite ? » Des expériences menées par le Neutrino Energy Group, dont les résultats ont ensuite été
confirmés indépendamment par la professeure Vanessa Wood et ses collègues, ont montré que lorsque des matériaux de dimensions inférieures à 10-20 nanomètres, soit 5 000 fois plus fines qu’un cheveu humain, les vibrations des couches atomiques externes à la surface des nanoparticules sont
importantes et jouent un rôle important dans le comportement du matériau.
Ces vibrations atomiques, ou « phonons », sont responsables du transfert de charge électrique et de
chaleur dans les matériaux.
Par exemple, si les vibrations des atomes de graphène sont 100 fois plus fortes que celles des atomes de silicium, alors la superposition de la fréquence de l’influence externe des champs de rayonnement environnants, y compris l’effet des neutrinos, sur la fréquence interne
des vibrations des ondes de graphène provoquées par le mouvement brownien thermique des
atomes de graphène, amplifie ces vibrations et conduit à la résonance des vibrations atomiques.
Les oscillations de résonance atomique rendent cela possible. Pour augmenter le reflux des électrons au
contact du silicium dopé. L’utilisation du graphène, qui ne contient pratiquement aucune impureté, et
le dopage « forcent » le flux des électrons du graphène dans une seule direction, ce qui génère un courant électrique.
L’effet global est ce que les physiciens appellent la « diffusion oblique », où les nuages d’électrons dirigent leur mouvement dans une seule direction.
La structure du nanomatériau est constituée de couches alternées de graphène et de silicium dopé,
chaque couche de graphène étant prise en sandwich entre deux couches de silicium (Fig. 1).
La première couche de graphène est déposée sur une couche métallique, généralement en aluminium.
Le nombre de couches de graphène-silicium est compris entre 12 et 20, idéalement 12. Le nanomatériau est appliqué sur une face de la couche métallique, la face recouverte de nanomatériau
constituant le pôle positif et la face non revêtue le pôle négatif. Dans des conditions normales (20 °C),
une telle plaque génératrice de courant de 200 × 300 mm présente une tension d’environ 1,5 V et un courant d’environ 2 A.
Fig. 1. Représentation schématique des nanomatériaux
Un mécanisme de conversion de l'énergie des champs de rayonnement
environnants en courant
électrique
Fig. 2. Représentation schématique de l’oscillation du graphène sous forme « d’ondes de graphène »
Le graphène est le seul matériau connu à ce jour appartenant aux matériaux 2D, mais il ne peut exister de manière stable que dans un système de coordonnées tridimensionnel, en tant que matériau 3D.
L’observation de la couche de graphène au microscope haute résolution révèle la
présence d’oscillations ondulatoires à la surface de la matériau (Fig. 2), lorsque des zones adjacentes alternent entre courbures concaves et convexes.
Plus l’influence des champs énergétiques et
thermiques est forte, plus les oscillations des atomes de graphène sont fortes, et donc la fréquence et l’amplitude des oscillations des « ondes de graphène ».
Des études théoriques expliquent que la
liaison électron-phonon est à l’origine de ce processus, car elle supprime la rigidité de la courbure des
ondes longues et amplifie les fluctuations extra-planaires.
Par conséquent, la conformité à la technologie de dépôt de graphène est un enjeu technologique crucial, notamment pour les feuilles de plus de 100 x 100 mm.
Le graphène présente une densité de courant électrique extrêmement élevée (un million de fois supérieure à celle du cuivre) et une mobilité record des porteurs de charge.
Dans le graphène, chaque atome est lié à trois autres atomes
de carbone dans un plan bidimensionnel, laissant un électron disponible dans la troisième dimension pour la conductivité électronique.
Dans un entretien avec la revue Research Frontiers, le professeur
Thibado (Université de l’Arkansas) a expliqué : « C’est la clé pour exploiter le mouvement des matériaux 2D comme source d’énergie inépuisable.
Les vibrations en tandem provoquent des ondes dans la couche de graphène, permettant d’extraire de l’énergie de l’espace environnant grâce à des nanotechnologies avancées. »
Fig. 3 Les vibrations des atomes dans les matériaux, ou « phonons », sont responsables du transfert
de charge électrique et de chaleur dans les matériaux. (Graphique : Denise Bosigit/ETH Zurich).
Les couches de graphène sont remarquablement résistantes et élastiques. Le graphène possède une conductivité thermique très élevée, qui, combinée à sa forte conductivité électrique, permet le passage d’un courant électrique des millions de fois supérieur au courant maximal possible dans les couches de cuivre.
À haute température, selon la distribution de Fermi-Dirac, certains électrons passent dans la bande de conduction et des trous restent dans la bande de valence.
Ceci détermine la conductivité électrique suffisamment élevée du graphène à température ambiante. Les électrons de conduction et les trous du graphène n’ont pas de masse effective, c’est-à-dire qu’ils ne peuvent pas être stationnaires, mais se déplacent constamment à la « vitesse de Fermi », qui est d’environ 106 m/s dans le graphène, soit déjà relativiste.
Ceci conduit à une très grande mobilité des porteurs de charge dans le graphène, supérieure d’au moins deux ordres de grandeur à leur mobilité dans le silicium, et à la nature « balistique » de leur mouvement le long de la couche.
Le libre parcours des électrons de conduction et des trous dans le graphène à température ambiante est supérieur à 1 μm.
Les oscillations harmoniques des « ondes de graphène » qui se transforment en résonance constituent en réalité le travail nécessaire pour convertir le mouvement thermique (brownien) des atomes de graphène et l’énergie des particules des champs de rayonnement environnants du spectre invisible, y compris l’énergie cinétique des particules de neutrinos neutres, en courant électrique.
Comme dans les générateurs électriques actuellement installés dans les centrales électriques, les
systèmes de production d’électricité Bedini développés et d’autres systèmes de moteurs magnétiques pour la production d’électricité sans combustible, une force électromotrice (FEM) se produit dans
chaque couche de graphène en raison de l’interaction des champs magnétique et électrique.
La principale différence, cependant, réside dans le fait que, dans la technologie neutrinovoltaïque, le mécanisme d’interaction pulsatoire ne se produit pas par la rotation du rotor avec une bobine magnétique, mais par le processus de microvibration du graphène dans le nanomatériau, ce qui constitue un autre principe physique de la force électromotrice (FEM).
La FEM qui se produit dans chaque couche de graphène provoque la circulation des électrons dans une direction, créant ainsi un courant électrique.
Le mouvement des électrons dans une direction est obtenu en déposant des épaisseurs de chaque couche avec des éléments d’alliage qui créent une jonction p-n permettant au
courant électrique de circuler dans une seule direction, ce qui produit l’effet d’une diode à couche mince.
La nature multicouche du nanomatériau offre une solution au problème de l’obtention de la puissance électrique maximale à partir d’une surface unitaire, car une seule couche de graphène ne peut pas fournir suffisamment d’énergie pour les applications industrielles.
Influence des neutrinos sur le processus d'oscillation de l'onde graphène.
Fig. 4. Schéma simplifié de la diffusion élastique cohérente des neutrinos par les noyaux lourds. D.
Akimov et al. / Science
En 2019, des scientifiques de l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) ont déterminé la masse des
neutrinos avec une précision sans précédent. Selon le KIT, les neutrinos sont au moins 500 000 fois
plus légers qu’un électron ; la masse des particules est d’environ 1,1 électronvolt. Le mécanisme
d’interaction des neutrinos avec la matière a été élucidé et décrit dans les publications de la
collaboration COHERENT du Laboratoire national d’Oak Ridge (États-Unis). Il a été démontré que les
neutrinos de basse énergie interagissent faiblement avec les noyaux d’argon. Ce processus est appelé
diffusion nucléaire élastique cohérente des neutrinos (CEvNS). Les neutrinos « frappent » une boule
de bowling comme une balle de tennis et « frappent » le noyau atomique, volumineux et lourd, lui
transférant une infime quantité d’énergie. Cela provoque un rebondissement presque imperceptible
du noyau (Fig. 4).
Une interaction similaire des neutrinos de basse énergie se produit lors de l’interaction avec le graphène.
L’argon a un numéro de série de 18 et une masse atomique de 39,948 dans le tableau périodique des éléments chimiques, tandis que le graphène (carbone) a un numéro de série de 6 et une masse atomique de 12,011. Cela suggère que l’effet des impacts de neutrinos sur les noyaux des atomes de graphène sera plus prononcé que sur les noyaux d’argon.
Plus l’énergie cinétique des neutrinos est élevée, plus l’effet de leur interaction avec les noyaux de graphène est important.
Cela signifie que les oscillations de ses atomes sont plus fortes.
La taille du noyau d’un atome de graphène est très petite comparée à la taille de l’atome de graphène lui-même ; seule une petite fraction de neutrinos ayant une masse peut interagir avec le noyau d’un atome de graphène et le faire osciller.
Comme vous le savez peut-être, le flux de neutrinos traversant 1 cm² de la surface terrestre en une seconde est de 60 milliards.
Ainsi, même une fraction d’un pour cent de ce flux contribue au processus d’oscillation des « ondes de graphène ». Il est toutefois actuellement impossible d’estimer la contribution de l’effet neutrino à l’oscillation des atomes de graphène par rapport à d’autres champs énergétiques et au mouvement thermique (brownien). Selon des scientifiques internationaux issus de facultés renommées, ce processus est désormais clairement confirmé scientifiquement, d’où le nom de neutrinovoltaïque pour cette technologie et ses applications.