Исследователи из университета Райса представили тепловой излучатель, способный значительно увеличить эффективность термофотоэлектрических (ТФЭ) систем, которые трансформируют тепло в электричество с помощью света. Это открытие может содействовать созданию более доступных и эффективных альтернатив батареям на инфраструктурном уровне, помогая переходу к экономике с низкими выбросами углерода.
Традиционные методы проектирования тепловых излучателей зачастую ограничивали сферу их приложения, создавая либо практичные, но маломощные устройства, либо высокоэффективные, но неудобные для имплементации решения. Используя подход, вдохновлённый квантовой физикой, инженер Гурурадж Наик из Райса и его команда смогли создать тепловой излучатель, обеспечивающий превосходную эффективность в рамках реализуемых инженерных решений.
«Фактически, мы показали, как можно достичь оптимальных характеристик излучателя с учётом реальных ограничений конструкций», — отметил Сирил Самуэль Прасад, ведущий автор исследования и бывший аспирант Наика.
Новый тепловой излучатель включает в себя вольфрамовую пластину, тонкий слой разделительного материала и сеть из кремниевых наноцилиндров. При нагревании основные слои аккумулируют тепловое излучение, представляющее собой своего рода резервуар фотонов. Мелкие резонаторы, расположенные на поверхности, взаимодействуют таким образом, что позволяют «извлекать фотон за фотоном» из этого резервуара, управляя яркостью и частотной полосой света, направляемого на фотоэлемент.
«Вместо фокусировки на системе с одним резонатором, мы сконцентрировались на их взаимодействии, открывая новые возможности для контроля хранения и высвобождения фотонов», — пояснил Наик.
Эта селективная эмиссия энергии максимизирует её преобразование и позволяет достичь эффективности, ранее недостижимой с использованием существующих материалов. Новая технология может сделать ТФЭ конкурентоспособным решением наряду с другими подходами к хранению и преобразованию энергии, особенно в ситуациях, требующих длительного хранения.
Источник: Gustavo Raskosky / Rice University
«Я убежден, что наше достижение, в сочетании с высокоэффективным фотоэлементом с узкой запрещённой зоной, обладает огромным потенциалом. Опираясь на мой опыт работы с NASA и запуске стартапа в области возобновляемых источников, я считаю, что технологии преобразования энергии очень востребованы», — добавил Наик.
Технология может также найти применение в космической области, например, для питания марсоходов. «Если наш метод сможет повысить эффективность таких систем с 2% до 5%, это станет значительным стимулом для миссий, опирающихся на эффективно генерированную энергию в сложных условиях», — подчеркнул Наик.
Эта разработка может также содействовать восстановлению утраченного тепла из промышленных процессов, делая их более экологичными. По оценкам, значительное количество тепла, применяемого для превращения сырья в потребительскую продукцию, утрачивается, что обходится экономике США более чем в $200 миллиардов в год.
Источник: iXBT
