Patent US11258379B2 - Quantum Noise Power Devices - Moddel

Bauelemente für Energie aus dem Quantenrauschen

Patent
Patentnummer	US11258379B2
Bezeichnung	Quantum Noise Power Devices
Anmelder	The Regents of the University of Colorado, a body corporate
Erfinder	Garret Moddel
Anmeldetag	22.04.2020
Veröffentlichungstag	22.02.2022
Erteilungstag	22.02.2022

Kurzbeschreibung

Die hier beschriebenen Vorrichtungen dienen der Reduzierung des Quantenrauschens, z. B. durch den Einbau dieser Vorrichtungen in einen Casimir-Hohlraum oder in dessen Nähe. Derartige Vorrichtungen lassen sich mit einer elektrischen Einrichtung im freien Raum koppeln, so dass sich zwischen beiden eine Differenz in der Rauschleistung ergibt, welche dann genutzt werden kann.

…

Fachgebiet

Bei dieser Erfindung handelt es sich um ein Verfahren aus dem Bereich der elektronischen Bauelemente. Im Allgemeinen befasst sich die Erfindung mit Geräten zur Gewinnung und Erzeugung von elektrischer Energie auf quantentechnischer Basis.

Hintergrund

Gemäß der Quantentheorie besteht das Quantenvakuum aus elektromagnetischer Strahlung in Form von Quantenvakuumfluktuationen, und die Vorrichtungen weisen ein Quantenrauschen auf, was damit im Zusammenhang steht. Es ist viel darüber diskutiert worden, auf welche Art und Weise sich diese Energie gewinnen lässt. Ein Hauptproblem bei der Nutzung dieser Energie besteht darin, dass diese den energetischen Grundzustand bildet und somit nicht von einer Region zu einer anderen fließt. Allerdings ist die Quantenvakuumenergie abhängig von der Geometrie, und ihre Dichte ist innerhalb eines Casimir-Hohlraumes geringer als außerhalb desselben. Daher eröffnet die Verwendung von Casimir-Hohlräumen die Möglichkeit zur Nutzung der Quantenvakuumfluktuationen, um die Energie von einem Ort zu einem anderen zu transportieren.

Zusammenfassung

Die hier beschriebenen Vorrichtungen dienen der Erzeugung von elektrischer Energie. In den hier dargestellten Ausführungsformen verwenden diese Vorrichtungen zwei verschiedene Bereiche, die sich hinsichtlich der Nullpunktsfluktuationen unterscheiden, um so einen Teil der aus den Nullpunktsfluktuationen resultierenden Rauschleistung zu gewinnen.

In einem Aspekt machen die hier offengelegten Vorrichtungen Gebrauch von Strukturen, mit denen die Dichte der Nullpunktsenergie reduziert wird, um so beispielsweise einen Bereich zu schaffen, in dem diese Dichte der Nullpunktsenergie geringer ist als in seiner Umgebung, was es ermöglichen kann, einen Energiefluss zu erzeugen, wie zum Beispiel zwischen einer elektrischen Vorrichtung, welche sich in unmittelbarer Nachbarschaft zu jener Struktur zur Reduzierung der Dichte der Nullpunktsenergie befindet oder direkt an diese angrenzt, und einer weiteren Vorrichtung. Ein Beispiel für eine solche Vorrichtung umfasst eine elektrische Vorrichtung und eine Struktur zur Reduzierung der Dichte der Nullpunktsenergie, welche an eine elektrische Vorrichtung angeschlossen ist. Die Struktur zur Reduzierung der Dichte der Nullpunktsenergie ermöglicht eine Verringerung der Dichte der Nullpunktsenergie in der elektrischen Vorrichtung im Vergleich zur Dichte der Nullpunktsenergie in einer zweiten elektrischen Vorrichtung, beispielsweise in einer zweiten elektrischen Vorrichtung, welche nicht an die Struktur zur Reduzierung der Dichte der Nullpunktsenergie angrenzt, aber in elektrischer Verbindung mit der elektrischen Vorrichtung steht. In einigen Fällen umfasst die Struktur zur Reduzierung der Dichte der Nullpunktsenergie einen Casimir-Hohlraum.

Die hier offengelegten Vorrichtungen unterscheiden sich von Solarzellen, Fotodioden oder anderen Vorrichtungen, mit denen das Licht einer externen Lichtquelle in elektrischen Strom umgewandelt wird, und sie sind in der Lage, einen Energiefluss auch dann zu erzeugen, wenn keine externen Lichtquellen vorhanden sind. Mit anderen Worten: Die beschriebenen Vorrichtungen sind in der Lage, sowohl bei Dunkelheit als auch bei Vorhandensein von Licht elektrische Energie zu erzeugen.

Zu den Vorrichtungen dieses Aspekts gehören solche, bei denen die elektrische Vorrichtung einen Widerstand umfasst, z. B. einen Widerstand, der direkt an einen Casimir-Hohlraum angrenzt. Eine solche Vorrichtung wird hier im Folgenden als Casimir-Widerstand bezeichnet. In einem speziellen Beispiel umfasst der Widerstand eine leitende Schicht, die an den Casimir-Hohlraum angrenzt bzw. eine Komponente des Casimir-Hohlraums darstellt. Bei dem Widerstand kann es sich beispielsweise um eine Metallschicht handeln, die eine Widerstandsstruktur aufweist und dem Casimir-Hohlraum zumindest teilweise auch als Reflektor dient. Für einen solchen Widerstand können auch andere Materialien anstelle von Metall zum Einsatz kommen. So kann beispielsweise auch Graphen verwendet werden.

Zu den Vorrichtungen dieses Aspekts gehören solche, bei denen die elektrische Vorrichtung einen Gleichrichter, ein Einwegventil oder eine Diode umfasst, wie z. B. eine Diode, welche direkt an einen Casimir-Hohlraum angrenzt. Eine solche Vorrichtung soll nachfolgend als Casimir-Diode bezeichnet werden. In einem speziellen Fall besteht die Diode aus einer geometrischen Diode. Zu den Dioden, die sich für Vorrichtungen dieses Aspektes eignen, zählen unter anderem geometrische Dioden sowie andere Strukturen, wie etwa Leiter-Isolator-Leiter-Strukturen oder Leiter-Halbleiter-Strukturen.

Vorrichtungen dieses Aspekts eignen sich für Schaltungen, mit denen Energie gewonnen und/oder übertragen werden soll. In einem Beispiel könnte die Schaltung ein elektrisches Bauelement wie etwa einen Casimir-Widerstand oder eine Casimir-Diode sowie ein elektrisches Bauelement im freien Raum umfassen, welches in elektrischer Weise zwischen einem ersten elektrischen Kontakt des elektrischen Bauelementes und einem zweiten elektrischen Kontakt des elektrischen Einbauelementes angeschlossen ist. Bei den elektrischen Vorrichtungen im freien Raum kann es sich beispielsweise um elektrische Bauelemente wie Widerstände, Dioden oder andere Komponenten handeln, welche keine Struktur zur Reduzierung der Dichte der Nullpunktsenergie aufweisen. Eine derartige Konfiguration ist in der Lage, an der elektrischen Vorrichtung eine Dichte der Nullpunktsenergie zu bewirken, die sich von einer zweiten Dichte der Nullpunktsenergie an der elektrischen Vorrichtung im freien Raum unterscheidet, und sie kann ferner bewirken, dass eine erste Rauschleistung der Nullpunktsenergie, wie sie von der elektrischen Vorrichtung bereitgestellt wird, sich von einer zweiten Rauschleistung der Nullpunktsenergie unterscheidet, wie sie von der elektrischen Vorrichtung im freien Raum bereitgestellt wird. In einigen Fällen handelt es sich bei der elektrischen Vorrichtung im freien Raum um eine Freiraumdiode oder einen Freiraumwiderstand.

Optional können ein oder mehrere Antennenpaare zum Einsatz kommen, um zwischen den verschiedenen Komponenten der Schaltung eine Übertragung von Energie bzw. Leistung zu bewirken, z. B. dadurch, dass die erste Antenne eines Antennenpaares in elektrischer Weise mit den elektrischen Kontakten der Vorrichtung oder einer bestimmten Komponente der Vorrichtung verbunden ist, während die zweite Antenne des Antennenpaares mit der ersten Antenne optisch gekoppelt und mit einer weiteren Vorrichtung, z. B. einer elektrischen Vorrichtung im freien Raum, elektrisch verbunden ist.

Eine effiziente Kopplung der elektrischen Vorrichtung mit der elektrischen Vorrichtung im freien Raum ermöglicht es, den Leistungsverlust zwischen den Vorrichtungen zu begrenzen. Beispielsweise kann es sich bei den elektrischen Übertragungsleitungen zwischen der elektrischen Vorrichtung im freien Raum und der elektrischen Vorrichtung um Leitungen zur Übertragung von Hochfrequenzsignalen handeln, beispielsweise um solche zur Übertragung von Frequenzen zwischen 1 THz und 3 PHz. Bei einer derartigen Konfiguration können sehr kurze elektrische Übertragungsleitungen (z. B. mit einer Länge von weniger als 10 μm oder noch weniger) und/oder Materialien mit einer hohen Leitfähigkeit zur Anwendung kommen. Im speziellen Fall können die elektrischen Übertragungsleitungen auch als Supraleiter ausgeführt sein.

Vorrichtungen und Schaltkreise dieses Aspekts kommen für eine Vielzahl von Anwendungen in Betracht, darunter auch thermische Anwendungen, z. B. zur Bereitstellung einer Kühlungs- oder Heizfunktion mittels Übertragung von Energie zwischen einer elektrischen Vorrichtung im freien Raum und einer Vorrichtung, welche an eine Struktur angrenzt, mit der die Dichte der Nullpunktsenergie reduziert wird. In einigen Beispielen kann eine Komponente der hier beschriebenen Schaltkreise thermisch mit einer Wärmeübertragungskomponente, wie beispielsweise einer Wärmesenke oder einer Wärmequelle, gekoppelt werden, um für die Absorption von Wärmeenergie aus der Umgebung oder die Übertragung von Wärmeenergie an die Umgebung zu sorgen, je nach Platzierung der Wärmeübertragungskomponente.

In einigen Fällen können die hierin beschriebenen Vorrichtungen und Schaltkreise von Nutzen sein, um Rauschenergie abzugreifen und für die Nutzung durch eine externe Last bereitzustellen. In einigen beispielhaften Schaltungen entspricht das elektrische Bauelement einem Widerstand oder einer Diode (d. h., das elektrische Bauelement und die angrenzende Struktur zur Reduzierung der Dichte der Nullpunktsenergie bilden zusammen einen Casimir-Widerstand oder eine Casimir-Diode), und das elektrische Bauelement im freien Raum entspricht ebenfalls einem Widerstand oder einer Diode, wobei es sich bei dem elektrischen Bauelement jedoch um einen Widerstand oder eine Diode und bei dem Bauelement im freien Raum um die entgegengesetzte Art von Bauteil handelt, oder aber es handelt sich bei dem elektrischen Bauelement um eine Diode und bei dem Bauelement im freien Raum um eine Diode. Bei dem elektrischen Bauelement kann es sich beispielsweise um einen Widerstand und bei dem Bauelement im freien Raum um eine Diode im freien Raum handeln. Alternativ könnte es sich bei dem elektrischen Bauelement um eine Casimir-Diode und bei dem Bauelement im freien Raum um einen Widerstand im freien Raum handeln. Derartige Konfigurationen können von Nutzen sein, um als Gleichstromausgang eine Netto-Nullpunktsenergie-Rauschleistung zu erzielen, da eine Diode in einer solchen Schaltung zur Gleichrichtung eines Rauschstroms zur Anwendung kommen kann.

Wie bereits ausgeführt, kann eine Struktur zur Reduzierung der Dichte der Nullpunktsenergie einen Casimir-Hohlraum beinhalten. In einigen Beispielen besteht solch ein Casimir-Hohlraum aus einer ersten reflektierenden Schicht, einer Hohlraumschicht und einer zweiten reflektierenden Schicht, wobei die Hohlraumschicht sich zwischen der ersten reflektierenden Schicht und der zweiten reflektierenden Schicht befindet. Die reflektierenden Schichten können aus Metall oder anderen reflektierenden Materialien oder Strukturen bestehen. Die Hohlraumschicht kann aus einem optisch transparenten Material bestehen. In einigen Beispielen hat die Hohlraumschicht eine Dicke von 10 nm bis 2 μm. Mindestens einer der beiden Reflektoren des Casimir-Hohlraumes kann ein Reflexionsvermögen von mehr als 50 % aufweisen, beispielsweise für zumindest einige Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung im Bereich von 100 nm bis 10 μm. In einigen Beispielen kann eine reflektierende Schicht eines Casimir-Hohlraumes als hybride Schicht dienen, welche sowohl als Reflektor fungiert als auch als Bestandteil einer elektrischen Vorrichtung. Beispielsweise kann eine reflektierende Schicht eines Casimir-Hohlraumes auch eine Schicht mit einem Widerstand oder eine Schicht mit einer Diode umfassen.

In einem weiteren Aspekt werden Anordnungen von Vorrichtungen, z. B. solche zur Erzeugung von elektrischer Energie, offengelegt. Ein Beispiel für eine solche Anordnung umfasst eine Vielzahl von hierin beschriebenen Vorrichtungen bzw. Schaltkreisen, die in einer Konfiguration aus Anordnungen zusammengefasst sind. In einem Beispiel kann eine solche Anordnung eine Vielzahl von Schaltkreisen umfassen, darunter eine Vorrichtung im freien Raum sowie eine elektrische Vorrichtung, welche an einen Casimir-Hohlraum angrenzt, so wie er oben beschrieben wurde. In einigen Beispielen ist zumindest eine Teilmenge aus dieser Vielzahl von Vorrichtungen bzw. Schaltkreisen wahlweise in einer Serienkonfiguration angeordnet. Wahlweise wird zumindest eine Untermenge aus der Vielzahl von Vorrichtungen bzw. Schaltkreisen in einer Parallelkonfiguration angeordnet. In einigen Beispielen ist die Mehrzahl der Vorrichtungen bzw. Schaltkreise in einer Kombination aus Serien- und Parallelkonfigurationen angeordnet.

Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden sein zu wollen, können hier Überzeugungen oder Auffassungen von den der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien diskutiert werden. Es wird anerkannt, dass unabhängig von der letztendlichen Korrektheit einer mechanistischen Erklärung oder Hypothese eine Ausführungsform der Erfindung nichtsdestotrotz funktionsfähig und nützlich sein kann.