Wetenschappers staan mogelijk op het punt een energierevolutie te ontketenen
Ze zouden een energierevolutie kunnen ontketenen, de nano-antennes die warmte in stroom omzetten, die fysici aan de wereld presenteren in het vakblad Nature Communications. Althans: als ze de stap van eerste succes naar grootschalige toepassing kunnen zetten.
Warmte wegzuigen bij de schoorsteen van een fabriek of uit de ovens van een bakkerij. Of, voor wie liever denkt in sciencefiction-achtige vergezichten: luchtschepen die hoog boven de aarde alle warmte opzuigen die onze planeet richting de ruimte weerkaatst. “Als je dat kunt, heb je altijd energie – waar en wanneer je maar wilt”, zegt onderzoeker Amina Belkadi (University of Colorado) daarover in een persverklaring.
Dankzij zogeheten ‘optische rectennes’ is dat nu – voor het eerst – geen fantasie meer. Die apparaatjes, vergelijkbaar met een radioantenne maar dan een fractie van een menselijke haar groot, kunnen elektromagnetische straling opvangen (zoals restwarmte) en die omzetten in energie.
Huzarenstukje
In een experiment bouwden de onderzoekers rectennes die voor het eerst meetbaar energie uit warmte wisten te plukken. Een huzarenstukje, volgens fysicus Carlo Beenakker (universiteit Leiden), die de technologie vergelijkt met wat zonnecellen doen. Beide vangen elektromagnetische straling op en zetten die om in energie. Maar waar een enkele laag zonnecellen maximaal 33,6 procent van de energie uit die straling kan winnen, is bij rectennes in theorie een efficiëntie van honderd procent mogelijk. ‘En dus mag je dromen van dit soort toepassingen. Warmte is immers overal om ons heen aanwezig’, zegt Beenakker.
Dat we niet allang rectennes gebruiken, komt vooral omdat fysici bij de bouw daarvan tot voor kort op een probleem stuitten. De apparaten zetten de wisselstroom van elektromagnetische straling om in gelijkstroom, maar omdat warmtestraling een heel korte golflengte heeft, moeten de antennes ook heel klein zijn. ‘Je hebt het dan echt over nanotechnologie’, zegt Beenakker.
Dat is nog tot daar aan toe, maar tegelijk is de frequentie van de straling heel hoog. Met andere woorden: de wisselstroom ‘wisselt’ razendsnel. Dat tempo moet de technologie kunnen bijbenen. En daarvoor heb je iets nodig waarin stroom (heel) weinig weerstand ondervindt.
In de wereld op menselijk formaat maak je dan gewoon de kabels dikker, maar dát kan niet bij nanotechnologie. ‘Dat is de paradox waar men zich in dit vakgebied al vijftig jaar de tanden op stukbijt’, zegt Beenakker.
Spookachtige truc
De oplossing bleek een spookachtige kracht uit de quantumnatuurkunde, die de wereld op de kleinst mogelijke schaal beschrijft. Daar kunnen elektronen zonder weerstand door materiaal heen schieten – tunnelen, heet dat. ‘Ik vergelijk tunnelen altijd met het treinstation in Harry Potter, waar hij op weg naar Zweinstein door een muur loopt’, zegt Beenakker. ‘In de quantumwereld kunnen elektronen dat ook.’
Laat een variant van diezelfde truc (‘resonant tunnelen’, voor ingewijden) los op rectennes en hoppa: de boel begint te werken, al is het nog maar mondjesmaat. In een experiment vingen de eerste rudimentaire rectennes minder dan één procent van de energie van een verwarmde plaat af. Nog ver verwijderd van de ruim twintig procent die zonnecellen nu halen.
‘Maar dat is het mooie van fundamenteel onderzoek’, zegt Beenakker. ‘Dat je een beetje droomt en eens iets totáál anders probeert. Meestal wordt het niks, maar heel af en toe zeg je achteraf: wow, dit werkt. En dan kan zomaar de wereld veranderen.’