Исследователи из Университета Райса представили революционный тепловой излучатель, который значительно увеличивает эффективность термофотоэлектрических (ТФЭ) систем, преобразующих тепло в электричество с помощью света. Эта разработка может открыть путь к более доступным альтернативам батареям на большом масштабе и облегчить переход к миру с нулевыми выбросами.
Традиционные конструкции тепловых излучателей часто были ограничены, что приводило к созданию либо устройств с низкой производительностью, либо высокопроизводительных излучателей, которые сложно интегрировать в практические приложения. Используя принципы квантовой физики, инженер Гурурадж Наик и его команда создали тепловой излучатель, который достигает высокой эффективности в рамках реалистичных проектных параметров.
«По сути, мы продемонстрировали, как добиться наилучших характеристик излучателя, учитывая реалистичные и практические ограничения конструкции», — сказал Сирил Самуэль Прасад, первый автор исследования и бывший аспирант Наика.
Новый тепловой излучатель состоит из листа вольфрамового металла, тонкой 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, взаимодействуют таким образом, что позволяют 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.