(57)【要約】      （修正有）【課題】電磁輻射、例えば赤外、近赤外および可視スペクトルからエネルギを効率的に獲得する、ミリ波およびテラヘルツエネルギを捉えるためのナノ構造、メタマテリアルおよび関連方法およびシステムを提供する。【解決手段】所望の周波数または周波数帯で放射を出す熱源のスペクトル調整はメタマテリアル４０８を用いて達成される。メタマテリアルは孔４０１を有する構造化ジオメトリを含む。孔の寸法および間隔は、結果として得られる表面が所望のスペクトルで放射を出すように選択される。放たれた輻射を検出しそれをコンバータデバイスに移送するコレクタを同様のメタマテリアルまたはアンテナアレイから作ることができ、コンバータデバイスは検出された輻射を電気に変換する。実施の形態はエネルギ収穫について効率的なコンバータデバイスへのカップリングを提供する。コンバータデバイスの冷却は冷却シンクまたは宇宙空間を用いて達成可能である。【選択図】図７
2020080641.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱を電気に変換するシステムであって、
所望の周波数で強化電場を生成するよう調整された表面を有するメタマテリアルと、
前記強化電場に亘って配置されたレクテナであって前記生成された電場と相互作用するような距離に配置され、前記生成された電場から電気を生成するレクテナと、を備えるシステム。
【請求項２】
前記メタマテリアルの前記表面は、前記表面に前記所望の周波数で前記強化電場を生成させるための寸法および間隔を伴う複数の孔を含み、
レクテナは各孔の上に配置される請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
各レクテナは、前記孔の上の近接場であって前記所望の周波数の半波長未満のところに配置される請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記レクテナは、
前記所望の周波数に調整されたアンテナであって前記生成された電場と相互作用することでアンテナ要素に電流を生成するアンテナと、
前記電流を直流に変換する移送構造と、を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
他のデバイスに電力を供給するために前記直流電流を運ぶかまたは前記直流電流を電力蓄積デバイスへ運ぶための少なくともひとつのリードをさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記レクテナを冷やすためのコールドシンクとして作用するコールドソースをさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記メタマテリアルの前記表面と前記レクテナとの間に設けられた、熱絶縁性かつ輻射に対して透明な物質をさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記レクテナはアンテナ要素を含み、さらに前記アンテナ要素をコールドソースに繋ぐための熱伝導性物質を含む請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
熱源からの熱損失を防ぐために前記熱伝導性物質の両側に熱絶縁性物質をさらに含む請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記孔の寸法および間隔は、前記メタマテリアルの前記表面に周期的パターンを形成する請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記メタマテリアルの前記表面は、前記表面に前記所望の周波数で前記強化電場を生成させるための寸法および間隔を伴う複数のポストを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記レクテナのコールドシンクとして宇宙空間が用いられる請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記レクテナは、各ポストの上の近接場であって前記所望の周波数の半波長未満のところに配置される請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ポストは、前記所望の周波数の前記波長の四分の一よりも大きな高さを有する請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
各ポストを囲む、熱絶縁性かつ輻射に対して透明な物質をさらに備える請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
帯域外エネルギを反射により除くための環境オーバコートをさらに備える請求項１１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記所望の周波数は、３マイクロメートルから５マイクロメートルおよび８マイクロメートルから１２マイクロメートルのうちのひとつの帯域の波長を有する請求項１１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１５年６月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／０１５，１２１号の優先権の利益を享受する。この出願は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
【０００２】
本発明の実施の形態は主に電磁輻射からエネルギを生み出すための構成および方法に関し、特に例えば赤外、近赤外および可視スペクトルからエネルギを獲得する、ミリ波およびテラヘルツエネルギを捉えるためのナノ構造、メタマテリアルおよび関連方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
現在、世界では廉価な再生可能エネルギが必要とされている。皮肉にも、日光および熱の形態では豊富なエネルギが利用可能であるが、社会のニーズを満たすためにそれを用いるためには、それを電気的な形態に変換する必要がある。今日用いられている大抵の電気エネルギは熱を含む変換プロセスから来る。原子力、石炭、ディーゼル、および天然ガスベースの発電所は全て蓄積形態のエネルギを熱に変換し、さらにそれを電気に変換する。これらの発電所での処理は非効率的であり、しばしば電気に変換されるよりも多くの熱を排出する。
【０００４】
熱源を使用可能な電力に低コストで育てることは特に望ましい。現時点で、タービンベースの解のコストは確立されている。その結果、熱を電力に変換するための新たな技術的解は比較的成熟した環境に入っている。ニーズおよび固定価格環境のため、新たな技術がこの分野に参入し始めている。これらの新たな技術は、熱光電（ＴＰＶ）システム、熱電（ＴＥ）システム、および有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）システムを含む。
【０００５】
ＴＰＶ技術は熱変換アプリケーションで困難に直面した。光電（ＰＶ）は短波輻射を変換するが、熱に伴う赤外（ＩＲ）および近ＩＲスペクトルに見出される長波は変換しないからである。そのような長波エネルギをＰＶセルへともたらすための新たなミクロンギャップ方法をもってしても、依然として、長波輻射のこの流入に良く適合する変換技術が要求される。ＰＶセルバンドギャップは高エネルギ光子のみを好む。低エネルギ光子はそのギャップを超えるエネルギを有さず、したがって吸収され、ＰＶセルが熱せられる原因となるからである。
【０００６】
熱電は低効率でのみ熱を電力に変換できた。今日まで、熱を電気に変換するためのＴＥアプリケーションはエネルギ変換の実質的な効率を提供することができずにいる。これらのハードルにもかかわらず、ＴＥは車両排熱再生で用いられている。これは、代替的な熱から電気への変換技術の必要性をさらに示すものである。
【０００７】
有機ランキンサイクル技術は、タービンをそれぞれがシステム中に低沸点液体を伴う熱交換器とつなげることで排熱を獲得する。残念なことに、ＯＲＣシステムはかさばり、多数の可動部を有する。それらは液体の性質に制限され、最終的には時間の制限やスペースの制限があり、作業空間における追加的なシステムによる効果がほとんど無いこととなる。
【発明の概要】
【０００８】
対のナノアンテナおよびダイオードアレイの表面の技術はエネルギ獲得アプリケーションについての絶大な利点を示す。排熱再生の分野において、これらのシステムは理想的である。それらは可動部を有さず、製造が廉価であり、ターゲットソースの周波数スペクトルに対して調整可能であるからである。システムの収集要素をソースのスペクトル特性に合わせる能力により、これらの技術は、排熱アプリケーションだけでなく、熱獲得一般にも、また最終的には太陽光エネルギ獲得にも、理想的なものとなる。
【０００９】
本明細書で説明される実施の形態は、メタマテリアルデザインを用いて、熱源のスペクトル特性に合わせるための方法を含む。コレクタおよびソース調整の組み合わせにより、これは種々のソースからエネルギを獲得するための強力な方法となる。ソースおよび収集要素の調整だけでなく、本明細書で説明される実施の形態は、熱エネルギをエネルギ獲得のためにナノ構造に効率的に結合することを可能とする方法を用いる。
【００１０】
実施の形態では、メタマテリアルデバイスは伝搬電磁場と局所電磁場との間の変換器として機能し、光子をアンテナベースのエネルギハーベスタに結合する効果的なルートを提供する。この構成は黒体輻射限界を超えることができる。これらのシステムのコレクタアレイコンポーネントはナノアンテナ電磁コレクタ（ＮＥＣ）と称される。
【００１１】
熱的熱源からのエネルギ獲得を強化するために、種々のナノ構造ベースのメタマテリアル表面処理が開発されてきた。メタマテリアル層は、高効率エネルギ変換に最適化されたチャネルでエネルギを放射するよう熱い物体の熱放射を調整する。デバイスの入手可能で大規模な製造のための方法が示される。
【００１２】
本発明の実施の形態は、ファーフィールド平面波から電磁輻射を獲得するためのシステムおよび方法、近接場エバネセント波および／またはプラズマ波からＥＭ輻射を獲得するためのシステムおよび方法、ならびにファーフィールド効果と近接場効果との組み合わせを用いて電磁輻射を獲得するためのシステムおよび方法を含む。エネルギ取得および凝縮のためのシステムおよび装置は共振アンテナ構成およびメタマテリアルフィルムを含む。エネルギ変換のためのシステムおよび装置は、アンテナデバイスと統合された種々のタイプの整流処理を含み、これは本明細書においてレクテナと称される。エネルギ変換装置および方法は、金属ー絶縁体ー金属（ＭＩＭ）ダイオードデバイスと、金属ー絶縁体ー絶縁体ー金属（ＭＩＩＭ）ダイオードデバイスと、進行波ダイオード（ＴＷＤ）ダイオードデバイスと、を含むがそれらに限定されない。
【００１３】
ある実施の形態では、本発明は利用可能な輻射エネルギの範囲内の周波数に合わされた共振要素を含むエネルギ獲得システムである。多くの場合、そのような周波数は赤外における約１０ＴＨｚから１０００ＴＨｚ（可視光）までの周波数範囲にある。ある実施の形態では、これらの共振要素は電気伝導性物質からなり、移送要素と結合される。移送要素は共振要素内の励起電気エネルギを直流に変換し、共振要素と移送要素とのペアを形成する。ある実施の形態では、共振要素と移送要素とのペアはアレイ状に配され、そのアレイは基板に埋め込まれ、また相互接続されて電源を形成する。この電源は、例えば、動作するためにソースされた電気エネルギを必要とする電気回路や他の装置やデバイスのためのものである。実施の形態の共振要素および移送要素の追加的な詳細は、２０１２年１２月７日に出願された「System and Method for Converting Electromagnetic Radiation to Electrical Energy」と題する米国特許出願第13/708,481号（米国特許出願公開第US 2013/0146117）（「４８１出願」）と、２０１３年１２月１６日に出願された「System and Method for Identifying Materials Using a THz Spectral Fingerprint in a Media with High Water Content」と題する米国特許出願第14/108,138号（米国特許出願公開第U.S. 2014/0172374号）（「１３８出願」）と、２０１４年２月２１日に出願された「Structures, System and Method for Converting Electromagnetic Radiation to Electrical Energy」と題する米国特許出願第14/187,175号（その複製物は米国特許仮出願第62/015,121号に付録Ａとして添付されており、それは参照によりその全体が本明細書に組み入れられる）（「１７５出願」）と、に記載されており、それらのおのおのは、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
【００１４】
ある実施の形態では、上述の共振要素および移送要素に加えて、物質の表面がメタマテリアルとなるよう変更される。メタマテリアルにより、表面は、ＮＥＣコンポーネントのスペクトルにマッチするエネルギを放射でき、ＮＥＣコンポーネントはその放射を獲得する。ある実施の形態では、メタマテリアルは特定の深さ、面積および間隔を有する孔のグリッドを含む。これらの孔は特定の周波数での人工的表面共振を生成する。この動作は、金属表面における表面プラズモンに似ている。ＮＥＣデバイスが配置されうる孔の上に電磁場が凝縮される。さらに、獲得に利用可能なエネルギは近接場に最も凝縮される。近接場は表面から光の波長内にある領域として定義される。ある実施の形態では、ＮＥＣは各孔および表面の３マイクロメートル上方に配置されＮＥＣは１ＴＨｚに合わせられる。他の実施の形態では、ＮＥＣは各孔の上方の近接場内に、表面共振を引き起こす特定の周波数の半波長以内に配置される。実施の形態では、ＮＥＣはいくつかの孔の上に配置されるが、全ての孔の上に配置されるわけではない。ある実施の形態では、孔の特定の寸法および孔の配置は、光と物質との間の相互作用を記述するマクスウェル方程式に基づくコンピュータシミュレーションによって決定される。例えば、ある実施の形態では、孔間隔は５０マイクロメートルであり、孔直径は１０マイクロメートルであり、孔の深さは４０マイクロメートルである。用いられたシミュレーションソフトウエアはＣＯＭＳＯＬ社から取得可能なＣＯＭＳＯＬとＬｕｍｅｒｉｃａｌ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ社から取得可能なＬｕｍｅｒｉｃａｌとであった。
【００１５】
ある実施の形態では、デバイスのコンポーネント、要素および基板は、金属、およびロールツーロールなどの低コストな方法で製造可能な物質からなる。
【００１６】
ある実施の形態では、本発明は、熱を電気に変換するシステムであって、所望の周波数で強化電場を生成するよう調整された表面を有するメタマテリアルと、前記強化電場に亘って配置されたレクテナであって前記生成された電場と相互作用するような距離に配置され、前記生成された電場から電気を生成するレクテナと、を備えるシステムである。ある実施の形態では、前記メタマテリアルの前記表面は、前記表面に前記所望の周波数で前記強化電場を生成させるための寸法および間隔を伴う複数の孔を含み、レクテナは各孔の上に配置される。別の実施の形態では、前記メタマテリアルの前記表面は、前記表面に前記所望の周波数で前記強化電場を生成させるための寸法および間隔を伴う複数のポストを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】表面プラズモン共振をサポートする金属表面における電場のグラフである。
【００１８】
【図１Ｂ】金属の表面の上および下における電場強度を距離の関数として表すグラフである。
【００１９】
【図２】アルミニウムの準無限サンプルの上方の異なる高さにおける、局在状態密度対周波数を示すグラフである。
【００２０】
【図３】金属表面からの種々の距離における、広範な周波数スペクトルに亘る、単位体積当たり、単位周波数当たりの、放射エネルギを示すグラフである。
【００２１】
【図４Ａ】図４Ａおよび４Ｂは、金属表面にプラズモン共振を生成するひとつのメタマテリアル構成の要素間の相関を示す。
【図４Ｂ】図４Ａおよび４Ｂは、金属表面にプラズモン共振を生成するひとつのメタマテリアル構成の要素間の相関を示す。
【００２２】
【図５Ａ】図５Ａおよび５Ｂは、メタマテリアル構成要素の断面図を示す。
【図５Ｂ】図５Ａおよび５Ｂは、メタマテリアル構成要素の断面図を示す。
【００２３】
【図６Ａ】図６Ａおよび６Ｂは、メタマテリアルの表面の孔のうちのひとつの近くに配置されたレクテナについての、電場強度シミュレーション結果の三次元図を示す。
【図６Ｂ】図６Ａおよび６Ｂは、メタマテリアルの表面の孔のうちのひとつの近くに配置されたレクテナについての、電場強度シミュレーション結果の三次元図を示す。
【００２４】
【図７】構成アパーチャに配置されたレクテナを伴うメタマテリアル構成の断面図である。
【００２５】
【図８】アースの熱を獲得可能なシステムの断面図を示す。
【００２６】
【図９】図８のシステムの三次元図を示す。
【００２７】
【図１０】ＴＨｚソースがＴＨｚセンサとマッチされて電気出力が提供され、その電気出力が電気バスを介して運ばれ、電気デバイスに電力を提供する実施の形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下の説明は、当業者が本発明を作りかつ使用することを可能とするために提示される。また、特許出願およびその要件の文脈で提供される。説明される実施の形態に対する種々の変形例は当業者には容易に明らかであろうし、本明細書における原理は他の実施の形態に適用されうる。したがって、本発明は示される実施の形態に限定されることが意図されるものではなく、むしろ本明細書で説明される原理およびフィーチャと矛盾のない最も広いスコープと調和すべきものである。
【００２９】
図１Ａは、表面プラズモン共振をサポートする金属表面における電場のグラフである。図１Ｂは、金属の表面の上および下における電場強度を距離の関数として表すグラフである。δｄは表面上方の表面からの距離であり、δｍは表面下方の表面からの距離である。図２は、アルミニウムの準無限サンプルの上方の異なる高さにおける、局在状態密度対周波数を示すグラフである。局在状態密度は利用可能な光子状態の数を表し、局在状態密度が大きいと光学パワー密度をより高くすることができる。図２は、局在状態密度が表面プラズモン周波数において非常に強化されることを示し、これは、その周波数において非常に強化された光学パワー密度が達成可能であることを意味する。金属の表面プラズモン周波数をエンジニアリングすることはできない。したがって、メタマテリアル概念を採用することが必要であり、メタマテリアル概念により、我々は、表面プラズモン周波数を調整可能な人工的に構成された表面をデザインすることが可能となる。図３は、１ＴＨｚにおいて表面プラズモンモードを示すようデザインされたメタマテリアルの表面からの種々の距離における、広範な周波数スペクトルに亘る、単位体積当たり、単位周波数当たりの、放射エネルギのグラフである。それは、表面プラズモン周波数において非常に強化された光学エネルギ密度を示す。
【００３０】
図１Ａ、１Ｂ、２および３は、メタマテリアルをエンジニアリングすることにより、調整可能な共振周波数に強化された場の強度を有する電場を生成することができることを示す。後述のように、実施の形態では、熱に伴う周波数の存在下、メタマテリアルは共振、したがって強化された電場を示すようにデザインされる。レクテナは電場の中に設けられ、電場のエネルギを電気に変換する。実施の形態では、レクテナは、電場に応答するアンテナ要素と、ＭＩＭやＭＩＩＭダイオードなどのデバイスへの移送と、を有するデバイスであり、ＭＩＭやＭＩＩＭダイオードはアンテナ要素からの輻射エネルギを電気に変換する。
【００３１】
図４Ａおよび４Ｂは熱い物体４０８の表面にある例示的メタマテリアル構成の模式図である。当業者には既知のリソグラフィ方法やエッチング方法を用いて表面４０５に孔４０１を形成する。実施の形態では、メタマテリアル表面が所望の周波数におけるまたはその付近での強い表面共振をサポートするよう熱い表面４０５および構成４０８の要素に入射する電磁波をシミュレーションすることにより、寸法４０２（長さ）および寸法４０３（幅）で表される孔４０１のサイズ（または面積）と、孔４０１間の間隔４０６と孔４０１の深さ４０７と、を決定する。実施の形態では、所望の周波数は１ＴＨｚである。１ＴＨｚ付近のそのような例示的表面共振は図２および図３に示される。実施の形態では、例えば、シミュレーションは所与のジオメトリでマクスウェル方程式を数値的に解く。図４Ｂは、特定の実施の形態における、三次元シミュレーションで用いられる例示的ジオメトリを示す。実施の形態では、孔は表面寸法ａおよび表面寸法ｂを有し、それぞれ幅および長さを表す。寸法ａと寸法ｂとが等しい場合、すなわち孔が正方形の場合、共振周波数は以下のように近似可能である。
【数１】
2020080641.tif 000003
ωplは有効プラズモン共振周波数であり、ｃ0は光速であり、ａは孔のサイズであり、εhは誘電率であり、μhは物質の透磁率である。
【００３２】
光などの電磁波は偏光を示す。散乱や吸収を誘起する環境／物質境界条件から、偏光の様々な状態が起こりうる。メタマテリアルは、種々の偏光モードに応答しそれからエネルギを抽出するようデザイン可能である。例えば、寸法ａと寸法ｂとが等しくない場合、すなわち孔が長方形の場合、メタマテリアルは異方性となり、異なる偏光に対して異なる応答を示す。実施の形態では同様に、ｘ方向の間隔ｄはｙ方向の間隔ｄと異なりうる。間隔ｄがｘ方向とｙ方向とで異なる場合、メタマテリアルは異方性となり、異なる偏光に対して異なる応答を示す。
【００３３】
図５Ａおよび５Ｂは、実施の形態に係る、所望の共振周波数を達成するべく孔寸法および孔間隔を決定するための二次元シミュレーションに用いられる例示的ジオメトリを示す。実施の形態では、孔間隔および孔寸法は、メタマテリアル４０８において孔４０１の周期的構造を形成する。したがって、周期的境界条件を伴うただ一つの単位セルを含む計算セルを用いることで、例示的シミュレーションを簡単化することができる。メタマテリアル表面に垂直な方向について、媒体の無限の広がりをシミュレートするため吸収境界条件が用いられた。図５Ａでは、寸法４０２、寸法４０３および寸法４０７はそれぞれ長さ、幅および深さを示し、孔間隔４０６もある。図５Ｂでは、寸法はａ（孔の面積）、ｄ（孔の深さ）およびｐ（孔の間隔）として示される。
【００３４】
典型的なシミュレーションでは、固定波長の平面波がメタマテリアル表面に出射され、その後の反射パワーが計算される。このシミュレーションはある波長範囲に亘って繰り返され、反射率スペクトルが取得される。反射率スペクトルは、表面プラズモン共振の波長においてディップを示すはずである。次いで、メタマテリアル表面のジオメトリ（孔の寸法および間隔）を調整し、反射率スペクトルの共振ディップを所望の波長へとシフトさせる。完全最適化は、線幅の最小化と、反射ディップの深さの最大化と、を含むべきである。これらの条件は最強の共振に対応するからである。
【００３５】
上述の平面波を用いるシミュレーションでは、反射率スペクトルにディップを生成するために、入射波は表面波と結合しなければならない。これは孔の周期性により達成される。孔の周期性は格子として作用し表面波とのカップリングのために必要な運動量を授ける。特に、格子カップリング条件は以下のように与えられる。
【数２】
2020080641.tif 000004
ここで、λ、θ、ρはそれぞれ波長、入射角および格子周期である。伝搬定数βが表面波のそれとマッチする場合、入射波は表面波に結合し、反射率スペクトルのディップを生み出す。
【００３６】
この条件が満たされる場合はいつでもカップリングは生じるが、カップリング効率は変化しうる。したがって、表面波が存在する場合であっても、ある構造は目立つ反射率ディップを示さないかもしれない。低いカップリング効率による欠落した表面波を回避するために、シミュレーションではダイポールソースを用いる。ダイポールソースは基本的に調和的に発振する点ダイポールである。発振する点ダイポールは等方的に出射される電磁波を生成する。メタマテリアル表面に多くの点ダイポールソースを配置することにより、表面波とのカップリングが保証される。この場合、表面波の存在は、表面付近の電場および磁場のパターンを監視することにより検出されうる。表面付近における場の強度の大きな増大はは表面波の存在を示す。 
【００３７】
物質４０８の表面に、調整された関心周波数の共振が形成される。実施の形態では、この周波数は１ＴＨｚである。物質４０８は種々の物質であってもよく、例えば銅や高い伝導性を有する他の任意の物質を含む。上述のようにシミュレーションによって設計寸法が再計算される場合、他の物質が用いられてもよい。実施の形態では、メタマテリアル４０８は１００マイクロメートルの厚さを有する銅である。実施の形態の寸法は、孔の長さ４０２が１０マイクロメートル、孔の幅４０３が１０マイクロメートル、孔の間隔４０６が５０マイクロメートル、孔の深さ４０７が４０マイクロメートルである。
【００３８】
図６Ａおよび６Ｂは、場の強度マッピングと共に、孔４０１の上に設けられたレクテナ６０１を模式的に示す。レクテナ６０１は、アンテナ要素６０１ａおよび６０１ｂと、ダイオード６０２と、を含む。図６Ａに示されるようにメタマテリアルの表面において孔４０１の上にレクテナを配置するのは、アンテナ要素６０１に凝縮された電場を運び、それによりダイオード６０２に凝縮された電場を運び、そこで輻射エネルギを収穫して電気を得ることを起こすためである。輻射熱エネルギが収穫されると、それはリード６０３および６０４を介してバス構成に運ばれ、電気デバイスに電力を与えるために使用されるか、または電気蓄積設備に与えられる。レクテナ６０１の追加的な詳細は、'４８１出願や'１３８出願や'１７５出願に記載されている。
【００３９】
図７は、レクテナ６０１を伴うメタマテリアル４０８の断面図である。レクテナ６０１は、アンテナ要素６０１ａおよび６０１ｂと、ダイオード６０２と、を含む。図７に示される実施の形態では、孔４０１は高絶縁性物質７０８で満たされる。例示的な高絶縁性物質７０８はＳＵ８やエアロゲルや空気や真空を含む。物質７０８は絶縁性でなければならないが、また輻射に対して透明でなければならない。レクテナ６０１はメタマテリアル４０８の表面からある距離７０３にセットされる。電場のパワーは表面からの距離に対して指数関数的に減少するので、この距離は重要である。ある実施の形態では、その距離は３マイクロメートルであるか約３マイクロメートルである。これは、熱絶縁と場の強度の近接性とのよいバランスを与える。他の実施の形態では、レクテナ６０１は孔４０１の上方の近接場内に、表面共振を引き起こす特定の周波数の半波長以内に配置される。複数の孔４０１を伴うある実施の形態では、レクテナ６０１は各孔４０１の上に設けられる。複数の孔４０１を伴うある実施の形態では、レクテナはいくつかの孔４０１の上に設けられるが、全ての孔４０１の上に設けられるわけではない。
【００４０】
レクテナ６０１の上部にある物質７０６および７０７は熱を通し、レクテナ６０１をコールドソース７１０に繋ぐ。レクテナ６０１を囲む物資７０４および７０５は、ソース７０１からの熱の損失を防ぐために絶縁性であり、また輻射を介して熱をレクテナ６０１へ導く役割を果たす。
【００４１】
図８は、宇宙空間の低温の環境でアースから熱を収穫するよう構成された本発明の実施の形態を示す。そのような実施の形態では、宇宙空間はレクテナ１１０１に対する冷却ソースとして作用する。図８に示されるように、レクテナ１１０１はポストメタマテリアル構造１１０４の近接場内に配置される。ポスト構造１１０４は、地球ソース（例えば、アース）により運ばれる熱から表面により生成される電場を凝縮し、この電場を、上述のシミュレーションを用いて表面メタマテリアル構造のデザインにより設定された周波数で運ぶ。本システムのカルノーシステムの利点を最大化するために、レクテナ１１０１を、地球の大気のクリアバンド内の周波数に合わせることが望ましい。そのような二つのバンドは既知である。３マイクロメートルから５マイクロメートル、および８マイクロメートルから１２マイクロメートル。このバンドに合わせられたレクテナは宇宙空間のコールドソースと共に自由に輻射を行い、カルノーゾーンがほぼ１００％（C=1-Tc/ThここでTc=3KおよびTh=300K）のシステムを作り出す。
【００４２】
図８に示される宇宙空間をコールドソースとして用いる実施の形態では、メタマテリアルは孔４０１ではなく複数のポスト１１０４の形態を有し、それらのうちのひとつは図８に示されている。ある実施の形態では、複数のポストは孔４０１について上述された通り周期的に配置される。ポスト１１０４は熱絶縁性かつ輻射に対して透明な物質１１０３によって囲まれる。そのような例示的な物質１１０３はエアロゲルである。他の実施の形態では、物質１１０３は熱絶縁特性を最適化するために真空で置き換えられる。実施の形態では、レクテナ１１０１はポスト１１０４の上方２マイクロメートルのところまたは約２マイクロメートルのところに配置される。他の実施の形態では、レクテナ1101はポスト1104の上方の近接場内に、表面共振を引き起こす特定の周波数の半波長以内に配置される。実施の形態では、レクテナ１１０１はいくつかのポスト１１０４の上に配置されるが、全てのポスト１１０４の上に配置されるわけではない。ある実施の形態では、ポスト１１０４の高さは少なくとも、レクテナ１１０１の同調周波数の１／４波長である。ポストのデザイン１１０４により、レクテナ１１０１の要素は宇宙１１０６に放射することができる。その要素は金属表面から１／４波長以上離れているからである。ポスト１１０４に近接していることと、金属表面１１０５に対して１／４波長以上離れていることと、の組み合わせにより、レクテナ１１０１は調整されたメタマテリアル１１０４からエネルギを受け取ることができると共に宇宙空間１１０６に放射可能である。
【００４３】
レクテナ１１０１の同調周波数とメタマテリアル１１０４の同調周波数とが等しい方が有利である。その場合、表面プラズモンはレクテナ１１０１に最も効率的にエネルギを運ぶからである。また、レクテナ１１０１は大気のクリアバンド領域内に合わせられる必要がある。
【００４４】
レクテナ１１０１が地熱により発振するので、図８に示されるシステムはエネルギを電力として収穫する。実施の形態の効率のソースは、付近の地球ソースから来るエネルギであってクリア大気ウインドウの外側のバンドにあるエネルギの反射からくる。レクテナ１１０１が宇宙空間１１０６により冷却されたままとなるために、システムはこの「帯域外」エネルギを反射により除く必要がある。
【００４５】
これは、環境オーバコート１１０２の目的の一部である。環境オーバコート１１０２は熱絶縁性かつ大気の「帯域内」波長の、すなわちクリアバンドの、輻射に対して透明である。方向性はデザインにおける重要なファクタのひとつである。システムは空と接触するため、レクテナ１１０１は空を向いている必要があり、遮蔽物で遮られることがないようにしなければならない。
【００４６】
図９は、複数のそのような要素を示す。表面１１０５上のメタマテリアルポスト１１０４はプラズモン的構造を生成し、その構造はポスト構造の先端にプラズモン的電場を凝縮する。レクテナ１１０１はこの構造の近接場内に配置され、プラズモン周波数における近接場共振に合わせられる。レクテナ１１０１の調整は、透明ウインドウの一部を大気にマッチさせなければならない。
【００４７】
図８および図９に示される実施の形態においてレクテナ１１０１がアンテナに代えられた場合、システムは熱エネルギをアンテナの同調周波数における輻射に変換する。そのようなシステムは、ＴＨｚ輻射の廉価なソースとして用いられることによる大きな利点を有する。特に、ＴＨｚに合わせられたアンテナ（調整されたメタマテリアル１１０４にマッチされている）でカバーされた表面は非常に低コストでＴＨｚ輻射を生成する。ＴＨｚスペクトルのサブ領域に合わせられている表面のサブ領域で表面１１０５（アンテナおよびメタマテリアルの両方）をカバーすることにより、ＴＨｚ範囲の全体が生成されうる。
【００４８】
図１０は、実施の形態に係る、ＴＨｚ輻射を生成するシステムを示す。ＴＨｚソース層１２０２はＴＨｚセンサ１２０４とマッチされる。ＴＨｚソース層１２０２およびＴＨｚセンサ１２０４は'４８１出願や'１３８出願や'１７５出願に記載されたようなものであってもよい。
【００４９】
図１０に示されるように、熱源１２０１は熱を生成する。ＴＨｚソース層１２０２はＴＨｚメタマテリアルとＴＨｚ周波数に合わせられたアンテナとを含む。熱源１２０１によって生成された熱に応じて、ＴＨｚソース層１２０２のメタマテリアルは同調ＴＨｚ周波数でエネルギを生成する。ＴＨｚソース層１２０２内のアンテナデバイスはＴＨｚ周波数に合わせられており、ＴＨｚ輻射をＴＨｚディテクタ１２０４に放射する。ＴＨｚディテクタ１２０４は放たれたＴＨｚ輻射に応答して電気的出力を提供し、該出力は電気バス１２０５を介して運ばれ、電気デバイスに電力を提供する。電気デバイスは例えばコンピュータ１２０６であり、コンピュータ１２０６は例えば、とりわけ、デジタル処理性能とストレージとディスプレイとを含みうる。ある実施の形態では、ＴＨｚソース１２０２は図８および図９に関して上述されたアンテナのバリエーションに関して上述されたようなものである。このシステムは、スタンドオフ距離における低コストのアクティブ照光ＴＨｚ検出を提供する。ＴＨｚソース１２０２およびディテクタ１２０４の両方はＴＨｚ範囲内で調整可能であり、その結果、システムの柔軟性は高く、種々のアプリケーションに適用可能である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年1月24日(2020.1.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱を電気に変換するシステムであって、
所望の周波数で強化電場を生成するよう調整された表面を有するメタマテリアルであって、前記メタマテリアルの表面が複数のフィーチャを有し、当該複数のフィーチャが、ある波長範囲を有する複数の平面波が前記表面に適用されることから得られる反射率スペクトルにおいて前記所望の周波数にディップを生じさせるためのサイズ、形状および間隔で構成される、メタマテリアルと、
各フィーチャに亘って生成される前記強化電場に亘って配置されたレクテナであって前記生成された電場と相互作用するような距離に配置され、前記生成された電場から電気を生成するレクテナと、を備えるシステム。
【請求項２】
前記複数のフィーチャが複数の孔である請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
各レクテナは、前記フィーチャの上の近接場であって前記所望の周波数の半波長未満のところに配置される請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記レクテナは、
前記所望の周波数に調整されたアンテナであって前記生成された電場と相互作用することでアンテナ要素に電流を生成するアンテナと、
前記電流を直流に変換する移送構造と、を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
他のデバイスに電力を供給するために前記直流電流を運ぶかまたは前記直流電流を電力蓄積デバイスへ運ぶための少なくともひとつのリードをさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記レクテナを冷やすためのコールドシンクとして作用するコールドソースをさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記メタマテリアルの前記表面と前記レクテナとの間に設けられた、熱絶縁性かつ輻射に対して透明な物質をさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記フィーチャの前記寸法および間隔は、前記メタマテリアルの前記表面に周期的パターンを形成する請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記複数のフィーチャは、前記表面に前記所望の周波数で前記強化電場を生成させるための寸法および間隔を伴う複数のポストである請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記レクテナのコールドシンクとして宇宙空間が用いられる請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ポストは、前記所望の周波数の前記波長の四分の一よりも大きな高さを有する請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
各ポストを囲む、熱絶縁性かつ輻射に対して透明な物質をさらに備える請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
帯域外エネルギを反射により除くための環境オーバコートをさらに備える請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
前記所望の周波数は、３マイクロメートルから５マイクロメートルおよび８マイクロメートルから１２マイクロメートルのうちのひとつの帯域の波長を有する請求項９に記載のシステム。
【請求項１５】
各レクテナが前記フィーチャの約３マイクロメートル上に配置される請求項１に記載のシステム。
【外国語明細書】
2020080641000001.pdf