Ciepło w światło, dzięki metamateriałom

Projektujesz elektronikę? Zarezerwuj 17 października 2019 roku na największą w Polsce konferencję dedykowaną projektantom, Evertiq Expo Kraków 2019. Przeszło 90 producentów i dystrybutorów komponentów do Twojej dyspozycji, ciekawe wykłady i świetna, twórcza atmosfera. Jesteś zaproszony, wstęp wolny: kliknij po szczegóły. © Evertiq

Naukowcy z Rice University wykorzystali anizotropowe właściwości nanorurek węglowych (CNT) do zaprojektowania nowego typu metamateriału, który może przekształcać promieniowanie cieplne i fotony termiczne w wąskopasmowe światło IR. Te z kolei będzie można następnie skupić na panelach fotowoltaicznych, by wygenerować energię elektryczną. W ten sposób uzyskamy możliwość praktycznego odzyskiwania energii z ciepła, będące efektem ubocznym działania wielu urządzeń. Ten niezwykły materiał hiperboliczny opisano szczegółowo w publikacji pt. „Macroscopically Aligned Carbon Nanotubes as a Refractory Platform for Hyperbolic Thermal Emitters”, który ukazał się w ACS Photonics. Nowy materiał składa się ze stosów gęsto upakowanych jedno-ściennych nanorurek węglowych (CNT), o wielkościach poniżej długości fali. Wyrównanie makroskopowe i ułożenie nanorurek uzyskano za pomocą filtracji próżniowej, którą opatentowano w 2016 roku. Dzięki silnemu ograniczeniu kwantowemu w cechach jednowymiarowych w skali nanometrycznej badacze byli w stanie wykorzystać niezwykle anizotropowe właściwości elektroniczne materiału, oraz jego właściwości optyczne i termiczne. W rzeczywistości każdy stos wyrównanych CNT zachowuje się jak jednoosiowe medium anizotropowe, silnie przewodzące wzdłuż głównej osi nanorurek, ale izolujące w płaszczyźnie prostopadłej. Zaobserwowano, że kiedy fotony termiczne uderzają w te stosy (z dowolnego kierunku), mogą one opuścić je tylko w jednym kierunku, zmieniając częstotliwość spektrum IR. Tak utworzone wąskopasmowe światło IR jest bardziej efektywne dla przekształcania energii świetlnej, w energię elektryczną. Szacuje się, że w samych Stanach, około 67% w zużywanej, traconej całej energii to ciepło odpadowe, przy bezpośredniej produkcji energii. Obecnie, najpopularniejszym sposobem na przekształcenie energii cieplnej w elektryczną jest wykorzystywanie turbin. Jednak wydajność takiej konwersji kształtuje się w okolicach 50%. Odkryty materiał ma przyczynić się do poprawy tego współczynnika, dzięki przekształcania ciepła w energię elektryczną z użyciem światła. To, jak podają twórcy, jest bardziej efektywne, niż wykorzystywanie pary, do napędzenia turbin, w klasycznym procesie generowania energii elektrycznej z ciepła. Materiał może być stworzony też w formie cienkowarstwowej, by konwertować niewykorzystane ciepło przemysłowe w energię elektryczną. Szacuje się, że nowe podejście może przyczynić się do poprawy efektywności paneli fotowoltaicznych do teoretycznej wartości nawet 80%, w przypadku takiego procesu. Nowy materiał może skutecznie pracować w temperaturze do 700 stopni Celsjusza.