ננו-אנטנה – הבדלי גרסאות

ננו-אנטנה משמשת רכיב קליטה והמרה של גל אלקטרומגנטי בתחום הנראה ובתחום ה[[תת-אדום|תת אדום]] ל[[זרם ישר|זרם חשמלי ישר]] (DC) באמצעות שילוב של [[מעגל חשמלי|מעגל]] יישור זרם. הגודל של הננו-אנטנה מאפשר קליטה אופטימלית של [[אור]] ב[[אורך גל|אורכי גל]] אלו. שילוב הננו-אנטנה עם מעגל יישור המורכב מ[[דיודה]] נקרא אנטנת יישור (rectenna).מערכי ננו-אנטנות משמשות להפקת [[אנרגיה|אנרגית]] שמש ביעילות טובה יותר מאשר [[תא פוטו-וולטאי|תאי שמש]] הסטנדרטיים.

רוברט ביילי בשיתוף עם ג'יימס פלטשר קיבלו רישיון [[פטנט|לפטנט]] בשנת [[1973]] על "ממיר אנרגיה מגלים אלקטרומגנטים" ("electromagnetic wave energy converter"). הפטנט כלל התקן הדומה לננו-אנטנה מודרנית ועסק בשימוש של דיודה הבנויה מחוטמ[[חוט]] מתכתי בקוטר של 100nm על גבי משטח מתכת מצופה שכבה דקה של [[תחמוצת]] מבודדת בין המתכות. גוואן דיווח כי ההתקן קולט אור [[תת-אדום]] בתדר 58THz ומיישר את הזרם. בשנת [[1974]] גוסטפסון וחוקרים נוספים הראו כי סוגים אלו של התקנים יכולים לקלוט אור נראה ולהמירו לזרם ישר. אלווין מ. מארקס קיבל רשיון לפטנט בשנת [[1984]] עבור התקן של מערך אנטנות בגודל תת-מיקרון להמרה ישירה של אנרגיית אור לאנרגיה חשמלית. ההתקן של מארקס הראה שיפורים משמעותיים ביעילות לעומת ההתקן של ביילי. בשנת [[1996]], גואנג' י. לין דיווח על בליעת אור על ידי [[ננו-מבנה]] ויישור של אור בתדרי האור הנראה. בשנת [[2002]], ITN מערכות אנרגיה בע"מ, פרסמו דו"ח של עבודתם בתחום אנטנות אופטיות בצימוד דיודות בתדרים גבוהים. ITN בנו מערך אנטנות אופטיות עם יעילות של פחות מעשרה אחוזים. על אף שהם לא צלחו, הנושאים הקשורים לבניית אנטנות [[אופטיקה|אופטיות]] ביעילות גבוהה היו מובנים יותר למדע.

בשנת 2015, חוקרים ייצרו קולט אנרגית שמש אשר יכול להמיר אור אופטי לזרםל[[זרם ישר]]. באראטונד קולה, פרופסור במכון הטכנולוגי של גאורגיה, הוביל צוות לפיתוח אנטנות אופטיות בשימוש [[ננו-צינורית פחמן|ננו-צינורות פחמן]]- CNT. הצוות גידל מערכים אנכים של ננו-צינורות פחמן רב-שכבתיות- MWCNT -על מצע מצופה מתכת. הננו-צינורות צופו עם תחמוצת [[אלומיניום]] מבודד וכולן ביחד כוסו בשכבה של אלקטרודת מתכת. הממדים הקטנים של ננו-צינורות מתנהגות כמו אנטנה אשר מסוגלת לקלוט אור הנראה. הננו-צינורות רב שכבתיות מהוות גם שכבה של דיודת [[מנהור קוונטי|מנהור]] מסוג מתכת-מבודד-מתכת (Metal-Insulator-Metal-MIM). בגלל [[קוטר|הקוטר]] הקטן של ננו-צינורות, השילוב הזה יוצר דיודה המסוגלת ליישר את הזרם של קרינה אופטית בתדרים גבוהים. יעילות ההמרה הכוללת של ההתקן הינה סביב 5-10%. עם זאת, המחקר בתחום הננו-אנטנות מתמשך. המאמצים העתידיים הינם לשיפור היעילות של ההתקן ע"י חקירת [[חומר|חומרים]] חלופיים, מניפולציות של ננו-צינורות רב-שכבתיות לשיפור [[מוליכות חשמלית|ההולכה]] של הממשק והפחתת התנגדויות הקיימות במבנה ההתקן.

התיאוריה של ננו-אנטנה הוא מאוד דומה לתיאוריה של האנטנות המסורתיות (רדיו או גלי מיקרו). פגיעה של האור באנטנה גורמת לאלקטרון בתוך האנטנה לזוז קדימה ואחורה באותו תדר בדיוק כמו האור הפוגע. זה קורה בעקבות תנודות של [[שדה חשמלי|השדה החשמלי]] של הגל האלקטרומגנטי הפוגע. תנועת האלקטרון גורמת לזרם חילופין (AC) במעגל האנטנה. ולכן יש צורך להמיר אותו לזרם ישר (DC) על ידי שימוש בדיודה, את מוצא הזרם הישר ניתן לספק לעומס חיצוני.

יתרון נוסף, על ידי שימוש במערך של ננו-אנטנות ניתן לקלוט תחום נרחב של אורכי גל של אור. לעומת זאת, תאים [[תא פוטו-וולטאי|פוטו-וולטאים]] (תאי שמש) בנויים ממוליכים למחצה, ולכן הם קולטים תחום אורכי גל צר וספציפי בלבד. על מנת לשנות את תחום אורכי הגל הנקלטים בתאים פוטו-וולטים, נדרש לשנות את חומר המוליך למחצה אשר נעשה בו שימוש . 

הוכחת עיקרון הפעולה של ננו-אנטנות התחיל עם מערך אנטנות מודפס על גבי מצע [[סיליקון (תרכובת)|סיליקון]] בגודל של 1 סמ"ר. המערך נבדק באמצעות אור אינפרה-אדום בטווח אורכי גל שבין 3 ל-5 מיקרומטר. שיא ה[[אמיסיביות]] (קירון) מרוכז סביב אורך גל של 6.5 מיקרומטר ומגיע לגודל של 1. אמיסיביות של 1, מציין כי האנטנה קולטת את כל הפוטונים הפוגעים במצע באורך גל מסוים ויחיד.

אנטנות אופטיות הינן זולות יותר מתאים פוטו-וולטאים. עלות חומרי הגלם ותהליך הייצור של תאים פוטו-וולטאים הינו יקר מאוד. סטיבן נובאק מעריך שעלות  אנטנה הינו בין 5 ל-10 דולר אמריקאי עבור 1 מ"ר בשנת 2008 (לעומת 430 דולר אמריקאי למ"ר של תאים פוטו-וולטאים). סטיבן נובאק מעריך שבמידה ונבחר חומרים וטכניקות ייצור מתאימות, העלות הכללית של האנטנה לא תעלה בהרבה. [[אב טיפוס|האב-טיפוס]] של סטיבן נובאק כלל 30X61 ס"מ של [[פלסטיק]] הכולל [[זהב]] בעלות של רק 0.6 דולר אמריקאי (בשנת 2008). האב-טיפוס היה על מצע של סיליקון ועל ידי שימוש בטכניקות עיבוד מוכרות, ניתן להשתמש ,תיאורטית, במצע מכל סוג חומר כל עוד משטח האדמה מתפקד כראוי.