Цей пристрій направляє тепло в світло

Все більш скромна вуглецева нанотрубка може бути просто пристроєм для створення сонячних панелей – і все інше, що втрачає енергію через тепло, — набагато більш ефективним.

Вчені Університету Райса розробляють масиви вирівняних одностінних вуглецевих нанотрубок для направлення середнього інфрачервоного випромінювання (ака тепла) і значно підвищують ефективність систем сонячної енергії.

Гурурадж Наїк і Дзюн'ітіро Коно з інженерної школи Брауна Райса представили свою технологію в ACS Photonics.

Їх винахід являє собою гіперболічний тепловий випромінювач, який може поглинати інтенсивне тепло, яке інакше було б викинуто в атмосферу, стискати його у вузьку смугу пропускання і випромінювати його як світло, який може бути перетворений на електрику.

Відкриття спирається на інший групою Коно у 2016 році, коли він знайшов простий спосіб зробити високо вирівняні, вафельні плівки з щільно упакованих нанотрубок.

На зображенні скануючого електронного мікроскопа видно субмікронні порожнини, утворені плівками вирівняних вуглецевих нанотрубок, розроблених в Університеті Райса. Порожнини поглинають теплові фотони й звужують їх пропускну здатність, перетворюючи їх у світ, який потім може бути перероблений в електрику. Фото лабораторії Наїк

Обговорення з Наїком, який приєднався до Райсу у 2016 році, призвели до того, що пара побачила, Можна використовувати плівки для напряму “теплових фотонів".”

- Теплові фотони — це просто фотони, що випускаються гарячим тілом, — сказав Коно. "Якщо ви подивитеся на щось гаряче за допомогою інфрачервоної камери, ви побачите, що воно світиться. Камера захоплює ці термічно збуджені фотони.”

Інфрачервоне випромінювання — це компонент сонячного світла, який приносить тепло на планету, але це лише мала частина електромагнітного спектра. - Будь-яка гаряча поверхня випромінює світло у вигляді теплового випромінювання, — сказав Наїк. "Проблема в тому, що теплове випромінювання є широкосмуговим, в той час як перетворення світла в електрику ефективно тільки в тому випадку, якщо випромінювання знаходиться у вузькій смузі.

"Завдання полягало в тому, щоб стиснути широкосмугові фотони у вузьку смугу", - сказав він.

Плівки нанотрубок давали можливість ізолювати фотони середнього інфрачервоного діапазону, які в іншому разі були б витрачені даремно. - Це і є мотивація, — сказав Наїк. "Дослідження (співавтор і аспірант Райс) Хлої Дойрон показало, що близько 20% нашого промислового споживання енергії є відходить теплом. Це близько трьох років електрики тільки для штату Техас. Це багато енергії витрачається даремно.
Аспірантка Університету Райса Хлоя Дойрон очолила проєкт зі створення пристрою, який переробляє відпрацьоване тепло в електрику через вирівняні плівки вуглецевих нанотрубок. (Кредит: люб'язно надано Chloe Doiron)

Аспірантка Університету Райса Хлоя Дойрон очолила проєкт зі створення пристрою, який переробляє відпрацьоване тепло в електрику через вирівняні плівки вуглецевих нанотрубок.

"Найефективніший спосіб перетворити тепло в електрику зараз — це використовувати турбіни й пар або якусь іншу рідину для їх приводу", - сказав він. “Вони можуть дати вам майже 50% ефективності перетворення. Ніщо інше не наближає нас до цього, але ці системи нелегко реалізувати."Наїк і його колеги прагнуть спростити завдання за допомогою компактної системи, яка не має рухомих частин.

Вирівняні плівки нанотрубок є провідниками, які поглинають відпрацьоване тепло і перетворюють його в вузькосмугові фотони. Оскільки електрони в нанотрубках можуть переміщатися тільки в одному напрямку, вирівняні плівки є металевими в цьому напрямку, а ізолюються в перпендикулярному напрямку, ефект Naik називається гіперболічної дисперсією. Теплові фотони можуть вдарити по плівці з будь-якого напрямку, але можуть вийти тільки через одне.

"Замість того, щоб перейти від тепла безпосередньо до електрики, ми переходимо від тепла до світла до електрики", - сказав Наїк. "Здається, що два етапи були б більш ефективними, ніж три, але тут це не так.”
Дослідники Університету Райса, ліворуч, Xinwei Li, Junichiro Kono, Weilu Gao і Gururaj Naik. (Кредит: Джефф Фітлоу / Університет Райса)

Дослідники Університету Райса, ліворуч, Xinwei Li, Junichiro Kono, Weilu Gao і Gururaj Naik. Фото Джеффа Фитлоу

Наїк сказав, що додавання випромінювачів до стандартних сонячних елементів може підвищити їх ефективність з поточного піку близько 22%. "Стискаючи всю змарновану теплову енергію в невелику спектральну область, ми можемо дуже ефективно перетворити її в електрику", - сказав він. “Теоретичне передбачення полягає в тому, що ми можемо отримати 80% ефективності.”

Нанотрубні плівки підходять для цього завдання, тому що вони витримують температуру до 1700 градусів за Цельсієм (3,092 градуса за Фаренгейтом). Команда Naik побудувала пристрою proof-of-concept, які дозволили їм працювати при температурі до 700 C (1,292 F) і підтверджувати їх вузькосмуговий вихід. Щоб зробити їх, команда створила масиви субмікронних порожнин у плівках розміром з чіп.

“Існує безліч таких резонаторів, і кожен з них випромінює теплові фотони тільки у вузькому спектральному вікні, — сказав Наїк. "Ми прагнемо зібрати їх за допомогою фотоелектричного елемента і перетворити його в енергію, і показати, що ми можемо зробити це з високою ефективністю.”

Постдокторант Університету Райса дослідник Вейлу Гао є співавтором і аспірант Сіньвей Лі є співавтором. Коно-професор електротехніки та обчислювальної техніки, фізики та астрономії, матеріалознавства та наноінженерії. Наїк-доцент кафедри електротехніки та обчислювальної техніки.

Фундаментальна енергетична наукова програма Департаменту енергетики, Національного наукового фонду та фонду Роберта А. Велча надала підтримку досліджень.

Аспірант Університету Райса Сіньвей Лі, ліворуч, і постдокторський дослідник Вейлу Гао використовували плівки вуглецевих нанотрубок, які Гао допоміг розробити для створення пристрою для утилізації відпрацьованого тепла. Це може в кінцевому підсумку підвищити продуктивність сонячних батарей і підвищити ефективність утилізації промислових відходів. Фото Джеффа Фитлоу