חשמל תת-אדום בכפות ידיך

חוקרים הצליחו לראשונה להפיק חשמל מאחד ממקורות האנרגיה המתחדשת הגדולים שקיימים בכדור הארץ: קרינה תת-אדומה. מדובר בקרניים אלקטרומגנטיות שאורך הגל שלהן גדול מזה של האור הנראה, החל מקצה האור האדום (700 ננומטר) ועד לקרינת גלי מיקרו (1 מילימטר).

הקרינה התת-אדומה נפוצה מאוד – היא נפלטת באופן קבוע מכל גוף שהטמפרטורה שלו עולה על האפס המוחלט. ככל שהגוף חם יותר הוא פולט יותר קרינה תת-אדומה, ולכן היא מכונה גם קרינת-חום או קרינה תרמית. כמחצית מכלל הקרינה שמגיעה לכדור הארץ מהשמש היא קרינה תת-אדומה. חלקה נבלע בפני השטח ומחמם אותם, וחלקה האחר מוחזר לחלל או נבלע באטמוספרה על ידי גזי החממה וגורם להתחממות הגלובלית.

החום הרב שנבלע בלי הרף בכדור הארץ ובאטמוספרה גורם להם לפלוט קרינה תת-אדומה בעוצמה שמוערכת בכמה מיליוני גיגה-ואט בשנייה. זו כמות אנרגיה אדירה, שעד כה לא ידענו כלל לנצל אותה להפקת חשמל. קולטי השמש הפוטו-וולטאיים, למשל, שממירים אור לחשמל, מסוגלים לנצל רק את אורכי הגל של האור הנראה. בדומה לגלי האור הנראה, גם גלים תת-אדומים הם מקור אנרגיה מתחדש, שניצולו עשוי לתרום משמעותית למילוי צרכיה העתידיים של האנושות. בשנים האחרונות הושקעו מאמצים רבים להתקדם בתחום הזה.

פריצת דרך משמעותית התרחשה לאחרונה כשחוקרים מאוניברסיטת המלך עבדאללה למדע וטכנולוגיה בערב הסעודית פיתחו לראשונה אנטנה שממירה קרינה תת-אדומה לזרם חשמלי. מדובר באנטנה זעירה, בגודל של מיקרונים בודדים (אלפיות המילימטר), שמורכבת מלוח טיטניום ולוח זהב חופפים במבנה ייחודי שהתגלה כמתאים לגיאומטריה של אורך גלי התת-אדום. מפרידה ביניהם שכבה דקיקה של תחמוצת אלומיניום בעובי של פחות מננומטר אחד – מיליונית המילימטר.

האנטנה הזאת פועלת כדיודה, רכיב חשמלי שמאפשר להעביר זרם חשמלי בכיוון אחד בלבד. שכבת תחמוצת האלומיניום מבודדת בין שני הרכיבים המתכתיים המוליכים, ונועדה לאפשר תופעה פיזיקלית שנקראת מנהור קוונטי.

בפיזיקה קלאסית, כדי שגוף בתנועה יוכל להתגבר על מחסום מסוים צריכה להיות לו אנרגיה גבוהה מספיק. לדוגמה, כדי שכדור יטפס מעל גבעה ויתגלגל אל עברה השני, עליו להגיע אליה לפחות עם כמות האנרגיה שנחוצה לו להגיע לפסגתה, אחרת הוא ייעצר ויתגלגל בחזרה. לעומת זאת, במכניקת הקוונטים, העוסקת בחלקיקים זעירים במיוחד, יש לכדור אפשרות נוספת להתגבר על הגבעה: הוא יכול בהסתברות מסוימת "לעבור דרכה" ולהופיע בצידה השני. התופעה ההסתברותית הזאת מכונה מִנהוּר קוונטי, והיא הבסיס לפעולה של האנטנה החדשה. הקרינה התת-אדומה שנקלטת בה מוסרת את האנרגיה שלה לאלקטרונים, ש"קודחים" את דרכם מבעד לשכבה המבודדת הדקיקה, מצד אחד של הדיודה אל צידה השני (דיודת מנהור), בלי לאבד מהאנרגיה שלהם, וכך הם יוצרים זרם חשמלי.

כמות החשמל שהאנטנה הזו הצליחה לייצר היא זניחה ביותר. עם זאת, מדובר בהתקדמות משמעותית שעל בסיסה אפשר יהיה לפתח טכנולוגיות יעילות יותר. ראויה לציון גם ההשקעה המדעית של ערב הסעודית, שהחלה לאחרונה להכיר בכך שעידן הנפט עומד להסתיים, ושיש לפתח טכנולוגיות אנרגיה חלופית. רק לאחרונה דיווחנו על מחקר העוסק של האוניברסיטה הזו העוסק בניצול של אנרגיית הרוח, ונותר רק לקוות שזוהי תחילתו של גל חדש ושעוד נזכה לשמוע על פיתוחים רבים בתחום.