Квантовая физика вдохновила на создание высокоэффективного теплового излучателя с селективной эмиссией фотонов
Исследователи из Университета Райса разработали тепловой излучатель, который может значительно повысить эффективность термофотоэлектрических (ТФЭ) систем, преобразующих тепло в электричество с помощью света. Эта разработка может способствовать созданию более доступных альтернатив батареям в масштабе сети и помочь в переходе к миру с нулевым уровнем выбросов.
Традиционные подходы к проектированию тепловых излучателей ограничивали пространство для проектирования, что приводило к практичным, но низкопроизводительным устройствам или высокопроизводительным излучателям, которые трудно интегрировать в реальные приложения. Однако, используя подход, вдохновленный квантовой физикой, инженер Райса Гурурадж Наик и его команда создали тепловой излучатель, который может обеспечить высокую эффективность в рамках практических проектных параметров.
«По сути, мы показали, как добиться наилучших возможных характеристик излучателя с учётом реалистичных, практических ограничений конструкции», — сказал Сирил Самуэль Прасад, первый автор исследования и бывший аспирант Наика.
Новый тепловой излучатель состоит из листа вольфрамового металла, тонкого слоя разделительного материала и сети кремниевых наноцилиндров. При нагревании базовые слои накапливают тепловое излучение, которое можно представить как ванну с фотонами. Крошечные резонаторы, расположенные сверху, «общаются» друг с другом таким образом, что это позволяет им «выхватывать фотон за фотоном» из этой ванны, контролируя яркость и полосу пропускания света, посылаемого в фотоэлемент.
«Вместо того чтобы сосредоточиться на производительности систем с одним резонатором, мы приняли во внимание способ взаимодействия этих резонаторов, что открыло новые возможности. Это дало контроль над тем, как фотоны хранятся и высвобождаются», — объяснил Наик.
Эта селективная эмиссия максимизирует преобразование энергии и позволяет достичь более высокой эффективности, чем это было возможно ранее, работая на пределе свойств материалов. Новая технология может сделать ТФЭ конкурентоспособной альтернативой другим технологиям хранения и преобразования энергии, особенно в сценариях, где требуется долгосрочное хранение энергии.
«Я уверен, что то, что мы продемонстрировали, в сочетании с очень эффективным фотоэлементом с малой шириной запрещённой зоны, имеет очень многообещающий потенциал. Основываясь на собственном опыте работы с NASA и запуска стартапа в сфере возобновляемой энергетики, я думаю, что технологии преобразования энергии сегодня очень востребованы», — сказал Наик.
Кроме того, технология этой группы может быть использована в космических приложениях, например, для питания марсоходов. «Если наш подход сможет привести к повышению эффективности таких систем с 2% до 5%, то это станет существенным стимулом для миссий, которые полагаются на эффективную генерацию электроэнергии в экстремальных условиях», — сказал Наик.
Эта разработка также может помочь в рекуперации отработанного тепла из промышленных процессов, что делает их более устойчивыми. По оценкам, до 20%–50 % тепла, используемого для преобразования сырья в потребительские товары, в конечном итоге тратится впустую, обходясь экономике Соединенных Штатов более чем в $200 миллиардов ежегодно.