Компактные углеродные нанотрубки могут стать устройством, способным сделать солнечные панели – и любые другие изделия, теряющие энергию через тепло – гораздо более эффективными.
Ученые из Университета Райса разрабатывают массивы выровненных одностенных углеродных нанотрубок, чтобы направлять инфракрасное излучение (то есть тепло) и, тем самым, значительно повысить эффективность солнечных энергетических систем.
Гурурадж Найк и Дзюнъитиро Коно из Браунской инженерной школы Райса представили свои технологии в ACS Photonics.
Их изобретение представляет собой гиперболический тепловой излучатель, способный поглощать интенсивное тепло, которое иначе было бы выброшено в атмосферу, сжимать его в узкую пропускающую полосу и излучать в виде света, впоследствии превращаемого в электричество.
Открытие опирается на исследовании другой группы Коно, проведенном в 2016 году, когда она нашла простой метод для создания сильно выровненных, пластинчатых пленок из плотно упакованных нанотрубок.
Обсуждения с Найком, который начал работать в Университете Райса в 2016 году, привели ученых к тому, чтобы выяснить, можно ли использовать пленку для направления «тепловых фотонов».
«Тепловые фотоны – это обычные фотоны, излучаемые горячим телом», – отметил Коно. «Если вы смотрите на что-то горячее с помощью инфракрасной камеры, то вы увидите, что оно светится. Камера фиксирует эти термически возбужденные фотоны».
Инфракрасное излучение является компонентом солнечного света, который поставляет тепло на планету, но это лишь малая часть электромагнитного спектра. «Любая горячая поверхность излучает свет в виде теплового излучения», – сообщил Найк. «Проблема в том, что тепловое излучение является широкополосным, в то время как преобразование света в электричество эффективно, только если излучение находится в узкой полосе.
«Задача состояла в том, чтобы сжать широкополосные фотоны в узкую полосу», – отметил специалист.
Пленки из нанотрубок позволили ученым изолировать средние инфракрасные фотоны, которые иначе были бы потрачены впустую. «Это мотивация», – сказал Найк. «Исследование Хлои Доирон (соавтор работы и аспирант Райса) обнаружило, что около 20 процентов нашего промышленного потребления энергии – это отработанное тепло. Это бы хватило на обеспечение электроэнергией всего штата Техас в течение трех лет. То есть огромное количество электричества тратится впустую».
«Самый эффективный способ превратить тепло в электричество на данный момент времени – это использовать турбины и пар или какую-то другую жидкость, чтобы привести их в действие», – отметил специалист. «Эффективность преобразования при этом составляет около 50 процентов. Ничего другое не может приблизить нас к этому значению, однако эти системы нелегко внедрить». Найк и его коллеги стремятся упростить задачу с помощью компактного механизма, в котором нет движущихся частей.
Выровненные пленки из нанотрубок представляют собой каналы, которые поглощают отработанное тепло и превращают его в узкополосные фотоны. Поскольку электроны в нанотрубках могут перемещаться только в одном направлении, выровненные пленки в нем сделаны из металла, в то время как в перпендикулярном направлении они выполнены из изоляционного материала. Получаемый эффект Найк называет гиперболической дисперсией. Тепловые фотоны могут ударить по пленке с любого направления, но способны уйти только через один маршрут.
«Вместо того чтобы превращать тепло непосредственно в электричество, мы решили сначала преобразовывать его свет, а уже потом в электроэнергию», – отметил Найк. «Может показаться, что два этапа должны быть эффективнее, чем три, но не в этом случае».
По словам Найка, добавление излучателей к стандартным солнечным элементам может повысить их эффективность на 22 процента. «Сжимая всю потерянную тепловую энергию в небольшую спектральную область, мы можем очень эффективно превратить ее в электричество», – сказал специалист. «В теории мы можем достичь 80-процентной эффективности».
Пленки из нанотрубок подходят для этой задачи, потому что они выдерживают температуру до 1700 градусов по Цельсию. Команда Найка создала проверенные на практике устройства, которые позволяли им работать при температуре до 700 градусов Цельсия и подтверждать их узкополосный подход. Чтобы сделать их, команда внедрила массивы полостей субмикронного масштаба в пленки размером с чип.
«Существует множество таких резонаторов, и каждый из них излучает тепловые фотоны именно в этом узком спектральном окне», – добавил Найк. «Мы стремимся захватывать их с помощью фотоэлемента и преобразовывать в энергию, чтобы показать, что мы можем сделать это с высокой эффективностью».