Лампа накаливания и ее теплое, знакомое свечение существует уже более века назад, но практически без изменений сохраняется в домах по всему миру. Однако это быстро меняется, поскольку правила, направленные на повышение энергоэффективности, постепенно заменяют старые лампы на более эффективные компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) и новые светодиодные лампы (СИД).
Лампы накаливания, коммерчески разработанные Томасом Эдисоном (и до сих пор используемые художниками-карикатуристами как символ изобретательской проницательности), работают, нагревая тонкую вольфрамовую проволоку до температуры около 2700 градусов по Цельсию.
Этот горячий провод излучает так называемое излучение черного тела, очень широкий спектр света, который обеспечивает теплый вид и точную передачу всех цветов в сцене.
Но эти лампочки всегда страдали от одной серьезной проблемы: более 95 процентов энергии, которая уходит в них, тратится впустую, большая часть – в виде тепла.
Вот почему страна за страной запрещали или постепенно отказываются от неэффективных технологий. Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и Университета Пердью, возможно, нашли способ изменить все это.
О новых результатах сообщили в журнале Nature Nanotechnology три профессора Массачусетского технологического института: Марин Солячич, профессор физики; Джон Джоаннопулос, профессор физики Фрэнсиса Райта Дэвиса; и Ганг Чен, профессор энергетики Карла Ричарда Содерберга, а также главный научный сотрудник Массачусетского технологического института Иван Целанович, постдок Огнен Илич и профессор физики Purdue (и выпускник Массачусетского технологического института) Питер Бермел, доктор философии ’07.
Легкая переработка
Как сообщают исследователи, ключ заключается в том, чтобы создать двухэтапный процесс. На первом этапе используется обычная нагретая металлическая нить со всеми вытекающими отсюда потерями. Но вместо того, чтобы позволить отходящему теплу рассеиваться в виде инфракрасного излучения, вторичные структуры, окружающие нить накала, улавливают это излучение и отражают его обратно в нить, чтобы повторно поглотить и переизлучить в виде видимого света.
Эти структуры, представляющие собой форму фотонных кристаллов, сделаны из элементов, которыми много на Земле, и могут быть изготовлены с использованием традиционной технологии осаждения материалов.
Этот второй шаг кардинально влияет на то, насколько эффективно система преобразует электричество в свет. Одна величина, которая характеризует источник освещения, – это так называемая световая отдача, которая учитывает реакцию человеческого глаза.
В то время как световая отдача обычных ламп накаливания составляет от 2 до 3 процентов, люминесцентных ламп (включая КЛЛ) – от 7 до 15 процентов, а у большинства коммерческих светодиодов – от 5 до 20 процентов, новые двухступенчатые лампы накаливания могут достичь эффективности. команда говорит, что до 40 процентов.
Первые экспериментальные единицы, сделанные командой, еще не достигли этого уровня, достигнув примерно 6.6-процентная эффективность. Но даже этот предварительный результат соответствует эффективности некоторых современных КЛЛ и светодиодов, отмечают они.
И это уже трехкратное улучшение по сравнению с сегодняшними лампами накаливания.
Команда называет свой подход «рециркуляцией света», – говорит Илич, поскольку их материал принимает нежелательные, бесполезные длины волн энергии и преобразует их в желаемые длины волн видимого света. «Он перерабатывает энергию, которая в противном случае была бы потрачена впустую», – говорит Солячич.
Луковицы и не только
Одним из ключей к их успеху была разработка фотонного кристалла, который работает в очень широком диапазоне длин волн и углов.
Сам фотонный кристалл представляет собой стопку тонких слоев, нанесенных на подложку. «Когда вы складываете слои с правильной толщиной и последовательностью», – объясняет Илич, вы можете очень эффективно настроить то, как материал взаимодействует со светом. В их системе желаемые видимые длины волн проходят прямо через материал и выходят из колбы, но инфракрасные волны отражаются, как будто от зеркала.
Затем они возвращаются к нити, добавляя больше тепла, которое затем преобразуется в больше света. Поскольку выходит только видимое, тепло продолжает возвращаться к нити накала, пока в конечном итоге не превратится в видимый свет.
«Результаты впечатляют, демонстрируя яркость и энергоэффективность, которые сопоставимы с показателями обычных источников, включая люминесцентные и светодиодные лампы», – говорит Алехандро Родригес, доцент кафедры электротехники Принстонского университета, который не принимал участия в этой работе.
Результаты, по его словам, «предоставляют дополнительные доказательства того, что применение новых фотонных конструкций для решения старых проблем может привести к созданию потенциально новых устройств. Я верю, что эта работа придаст новый импульс и подготовит почву для дальнейших исследований излучателей накаливания, проложив путь для будущего дизайна коммерчески масштабируемых структур."
По словам Солячич, у этой технологии есть потенциал для многих других применений, помимо лампочек.
Тот же подход может иметь «драматические последствия» для работы схем преобразования энергии, таких как термофотовольтаика. В термо-фотоэлектрических устройствах тепло от внешнего источника (химического, солнечного и т.) заставляет материал светиться, заставляя его излучать свет, который преобразуется в электричество с помощью фотоэлектрического поглотителя.
«Светодиоды – замечательная вещь, и люди должны их покупать», – говорит Солячич. "Но понимание этих основных свойств" о том, как свет, тепло и материя взаимодействуют и как можно более эффективно использовать энергию света "очень важно для самых разных вещей."
Он добавляет, что «способность контролировать тепловые выбросы очень важна. Это реальный вклад этой работы.«Что касается того, в каких именно практических приложениях наиболее вероятно будет использоваться эта базовая новая технология, – говорит он, – пока рано говорить."
Работа была поддержана Исследовательским офисом армии через Институт солдатских нанотехнологий Массачусетского технологического института и исследовательским центром S3TEC Energy Frontier, финансируемым Соединенным Королевством.S. Департамент энергетики.