Ny infrarød-emitterende enhed kunne tillade energihøst fra spildvarme

En ny rekonfigurerbar enhed, der udsender mønstre af termisk infrarødt lys på en fuldt kontrollerbar måde, kunne en dag gøre det muligt at indsamle spildvarme ved infrarøde bølgelængder og omdanne den til brugbar energi.

Den nye teknologi kan bruges til at forbedre termofotovoltaik, en type solcelle, der bruger infrarødt lys, eller varme, frem for det synlige lys, der absorberes af traditionelle solceller. Forskere har arbejdet på at skabe termofotovoltaik, der er praktisk nok til at høste den varmeenergi, der findes i varme områder, såsom omkring ovne og ovne, der bruges af glasindustrien. De kan også bruges til at omdanne varme fra køretøjsmotorer til energi til at oplade et bilbatteri, for eksempel.

"Fordi den infrarøde energiudledning, eller intensitet, er kontrollerbar, denne nye infrarøde emitter kunne give en skræddersyet måde at indsamle og bruge energi fra varme, " sagde Willie J. Padilla fra Duke University, North Carolina. "Der er stor interesse for at udnytte spildvarme, og vores teknologi kan forbedre denne proces."

Den nye enhed er baseret på metamaterialer, syntetiske materialer, der udviser eksotiske egenskaber, der ikke er tilgængelige fra naturlige materialer. Padilla og ph.d.-studerende Xinyu Liu brugte et metamateriale udviklet til at absorbere og udsende infrarøde bølgelængder med meget høj effektivitet. Ved at kombinere det med den elektronisk styrede bevægelse tilgængelig fra mikroelektromekaniske systemer (MEMS), forskerne skabte den første metamateriale-enhed med infrarøde emissionsegenskaber, der hurtigt kan ændres pixel-for-pixel.

Som rapporteret i The Optical Society's journal for high impact research, Optica , den nye infrarøde-emitterende enhed består af en 8 × 8 matrix af individuelt kontrollerbare pixels, hver måler 120 X 120 mikron. De demonstrerede MEMS metamaterialenheden ved at skabe et "D", der er synligt med et infrarødt kamera.

Forskerne rapporterer, at deres infrarøde sender kan opnå en række infrarøde intensiteter og kan vise mønstre ved hastigheder på op til 110 kHz, eller mere end 100, 000 gange i sekundet. Opskalering af teknologien kan gøre det muligt at bruge den til at skabe dynamiske infrarøde mønstre til ven eller fjende identifikation under kamp.

Ingen varme involveret

I modsætning til metoder, der typisk anvendes til at opnå variabel infrarød emission, den nye teknologi udsender justerbare infrarøde energier uden ændringer i temperaturen. Da materialet hverken opvarmes eller afkøles, enheden kan bruges ved stuetemperatur, mens andre metoder kræver høje driftstemperaturer. Selvom eksperimenter med naturlige materialer har været vellykkede ved stuetemperatur, de er begrænset til snævre infrarøde spektralområder.

"Ud over at tillade rumtemperaturdrift, brugen af ​​metamaterialer gør det nemt at skalere i hele det infrarøde bølgelængdeområde og til de synlige eller lavere frekvenser, " sagde Padilla. "Dette skyldes, at enhedens egenskaber opnås af geometrien, ikke af den kemiske natur af de indgående materialer, som vi bruger."

Den nye rekonfigurerbare infrarøde emitter består af et bevægeligt øverste lag af mønstret metallisk metamateriale og et bundmetallisk lag, der forbliver stationært. Enheden absorberer infrarøde fotoner og udsender dem med høj effektivitet, når de to lag rører hinanden, men udsender mindre infrarød energi, når de to lag er adskilt. En påført spænding styrer bevægelsen af ​​det øverste lag, og mængden af ​​infrarød energi, der udsendes, afhænger af den nøjagtige påførte spænding.

Dynamisk infrarød emission

Ved at bruge et infrarødt kamera, forskerne demonstrerede, at de dynamisk kunne ændre antallet af infrarøde fotoner, der kommer fra overfladen af ​​MEMS-metamaterialet over en række intensiteter svarende til en temperaturændring på næsten 20 grader Celsius.

Forskerne siger, at de kunne ændre de metamaterialemønstre, der blev brugt i det øverste lag, for at skabe forskellige farvede infrarøde pixels, der hver især kunne indstilles i intensitet. Dette kunne tillade oprettelsen af ​​infrarøde pixels, der ligner de RGB-pixel, der bruges i et tv. De arbejder nu på at skalere teknologien op ved at lave en enhed med flere pixels – så mange som 128 X 128 – og øge størrelsen af ​​pixels.

"I princippet, en tilgang, der ligner vores, kunne bruges til at skabe mange slags dynamiske effekter fra rekonfigurerbare metamaterialer, " sagde Padilla. "Dette kunne bruges til at opnå en dynamisk infrarød optisk kappe eller et negativt brydningsindeks i det infrarøde, for eksempel."