Канали пристрою нагріваються до світла

Вуглецеві нанотрубкові плівки дають можливість рециркулювати відпрацьоване тепло

Все більш скромна вуглецева нанотрубка може бути лише пристроєм для виготовлення сонячних панелей - і всього іншого, що втрачає енергію через тепло - набагато ефективніше.

Вчені Університету Райса розробляють масиви вирівняних одностінних вуглецевих нанотрубок, щоб направляти середнє інфрачервоне випромінювання (відоме як тепло) і значно підвищувати ефективність систем сонячної енергії.

Гурурай Найк та Джунічіро Коно з Інженерної школи Брайна Райса представили свої технології в ACS Photonics.

Їх винахід - гіперболічний тепловий випромінювач, який може поглинати інтенсивне тепло, яке в іншому випадку викидається в атмосферу, стискати його у вузьку смугу пропускання та випромінювати як світло, яке можна перетворити на електрику.

Це відкриття спирається на іншу групу Коно в 2016 році, коли вона знайшла простий спосіб зробити високо вирівняні плівки в масштабі пластин із щільно упакованих нанотрубок.

Обговорення з Найком, який приєднався до Райсу в 2016 році, змусило пару дізнатися, чи можна використовувати плівки для спрямування "теплових фотонів".

"Теплові фотони - це просто фотони, що випускаються з гарячого тіла", - сказав Коно. "Якщо ви подивитесь на щось гаряче за допомогою інфрачервоної камери, ви бачите, як воно світиться. Камера фіксує ці термічно збуджені фотони".

Інфрачервоне випромінювання - це компонент сонячного світла, який доставляє тепло на планету, але це лише невелика частина електромагнітного спектра. "Будь-яка гаряча поверхня випромінює світло як теплове випромінювання", - сказав Найк. "Проблема полягає в тому, що теплове випромінювання є широкосмуговим, тоді як перетворення світла в електрику є ефективним лише в тому випадку, якщо випромінювання знаходиться у вузькій смузі.

"Проблемою було стиснути широкосмугові фотони у вузьку смугу", - сказав він.

Плівки на нанотрубках дали можливість виділити середні інфрачервоні фотони, які в іншому випадку були б витрачені даремно. "Це мотивація", - сказав Найк. "Дослідження (співавтора та аспіранта Райса) Хлої Дойрон показало, що близько 20% нашого промислового споживання енергії - це відпрацьоване тепло. Це приблизно три роки електроенергії лише для штату Техас. Це багато витраченої енергії.

"Найефективніший спосіб перетворити тепло в електроенергію зараз - це використовувати турбіни та пару або якусь іншу рідину для керування ними", - сказав він. "Вони можуть дати вам майже 50% ефективності перетворення. Ніщо інше не наближає нас до цього, але ці системи непрості у впровадженні". Найк та його колеги прагнуть спростити завдання компактною системою, яка не має рухомих частин.

Вирівняні нанотрубкові плівки - це трубопроводи, які поглинають відпрацьоване тепло і перетворюють його на вузькосмугові фотони. Оскільки електрони в нанотрубках можуть рухатися лише в одному напрямку, вирівняні плівки металеві в цьому напрямку, ізолюючи в перпендикулярному напрямку, ефект Naik називають гіперболічною дисперсією. Теплові фотони можуть вражати плівку з будь-якого напрямку, але можуть виходити лише через один.

"Замість того, щоб переходити від тепла безпосередньо до електрики, ми переходимо від тепла до світла до електрики", - сказав Найк. "Здається, два етапи були б ефективнішими, ніж три, але тут це не так".

Найк сказав, що додавання випромінювачів до стандартних сонячних елементів може підвищити їх ефективність із поточного піку близько 22%. "Видавлюючи всю витрачену теплову енергію в невелику спектральну область, ми можемо перетворити її в електрику дуже ефективно", - сказав він. "Теоретичне передбачення полягає в тому, що ми можемо отримати ефективність 80%".

Нанотрубні плівки підходять для цього завдання, оскільки вони витримують до 1700 градусів Цельсія (3092 градусів за Фаренгейтом). Команда Naik створила надійні концептуальні пристрої, які дозволили їм працювати при температурі до 700 C (1292 F) і підтвердити їх вузькосмуговий вихід. Для їх виготовлення команда зробила малюнок масивів порожнин субмікронного масштабу у плівки розміром із чіп.

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

Докторський дослідник Райс Вейлу Гао є співавтором, співавтором є аспірант Сіньвей Лі. Коно є професором електротехніки та обчислювальної техніки, фізики та астрономії, матеріалознавства та наноінженерії. Найк - доцент кафедри електротехніки та обчислювальної техніки. Програма фундаментальних наук про енергетику Департаменту енергетики, Національного наукового фонду та Фонду Роберта А. Уелча підтримала дослідження.