Цей пристрій направляє тепло в світло

Плівки з вуглецевих нанотрубок, створені в Університеті Райса, дозволяють утилізувати відпрацьоване тепло.

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.

A scanning electron microscope image shows submicron-scale cavities patterned into films of aligned carbon nanotubes developed at Rice University. The cavities trap thermal photons and narrow their bandwidth, turning them into light that can then be recycled as electricity. (Credit: Naik Lab/Rice University)
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

 

Автор: Майк Вільямс
ОСТАННІ КОМЕНТАРІ