Изобретенный учеными гиперболический тепловой излучатель может поглощать интенсивное тепло, сжимать его и излучать в виде света узкого спектра, который затем можно превратить в электроэнергию. Эффективность такой системы преобразования тепла в электричество может достигать 80% и повысить производительность стандартных солнечных батарей.
Инфракрасное излучение не только доставляет тепло от Солнца на планету, но и исходит от всех горячих тел. Однако, проблема в том, что оно является широкополосным, поэтому его преобразование в электроэнергию неэффективно.
Ученые из Университета Райса искали новые способы превращения тепла в электричество без использования турбин, пара или каких-либо жидкостей, и итоговый КПД которых не уступал бы существующим системам. После того, как пару лет назад был разработан простой метод изготовления пленок из выровненных углеродных нанотрубок, команда решила проверить возможность их применения для преобразования теплового излучения.
Пленки представляют собой каналы, которые поглощают отработанное тепло и превращают его в узкополосные фотоны. Это связано с тем, что электроны в нанотрубках могут перемещаться только в одном направлении. Пленки из нанотрубок позволили изолировать инфракрасное излучение среднего диапазона длин волн (3-8 мкм). Из-за гиперболической дисперсии инфракрасные фотоны могут попадать на пленку с любого направления, но высвобождаются только в одном.
Модель однонаправленного излучения света узкого диапазона.
Вместо того чтобы переходить от тепла непосредственно к электричеству, ученые добавили в это промежуточное звено – свет. Хотя логически можно предположить, что два этапа были бы более эффективными, чем три, но в данном случае это не так. По словам исследователей, при сжатии всей потерянной тепловой энергии в небольшую спектральную область, теоретическая эффективность преобразования составляет 80%.
На снимке показаны полости субмикронного масштаба, сформированные в виде пленок из выровненных углеродных нанотрубок.
Для того чтобы подтвердить узкополосный выход, практические испытания устройства размером с чип проводились при температуре 700 °C, но оно выдерживает до 1700 °C.
Напомним, что недавно международная исследовательская группа синтезировал новый материал, который обладает высокой электрической проводимостью, как металл, но при этом является сверхтвердым и может выдерживать огромное давление, как алмаз.