Hvordan fotonik kan omforme lysspektret, og rehabiliter Edisons pære undervejs

Traditionelle pærer, menes at være godt på vej til glemslen, kan få udsættelse takket være et teknologisk gennembrud.

Glødelampe og dens varme, velkendt glød er langt over et århundrede gammel, men overlever stort set uændret i hjem rundt om i verden. Det ændrer sig hurtigt, imidlertid, da regler, der sigter mod at forbedre energieffektiviteten, udfaser de gamle pærer til fordel for mere effektive kompakte lysstofrør (CFL'er) og nyere lysdiodepærer (LED'er).

glødepærer, kommercielt udviklet af Thomas Edison (og stadig brugt af tegnere som symbolet på opfindsom indsigt), arbejde ved at opvarme en tynd wolframtråd til temperaturer på omkring 2, 700 grader Celsius. Den varme ledning udsender det, der er kendt som sort kropsstråling, et meget bredt lysspektrum, der giver et varmt look og en tro gengivelse af alle farver i en scene.

Men disse pærer har altid lidt af et stort problem:Mere end 95 procent af den energi, der går ind i dem, er spildt, det meste som varme. Det er derfor, land efter land har forbudt eller udfaser den ineffektive teknologi. Nu, forskere ved MIT og Purdue University kan have fundet en måde at ændre alt det på.

De nye resultater rapporteres i tidsskriftet Natur nanoteknologi af tre MIT-professorer - Marin Soljačić, professor i fysik; John Joannopoulos, Francis Wright Davis professor i fysik; og Gang Chen, Carl Richard Soderberg-professor i Power Engineering - samt MIT-forsker Ivan Celanovic, postdoc Ognjen Ilic, og Purdue fysikprofessor (og MIT-alumne) Peter Bermel PhD '07.

Let genbrug

Nøglen er at skabe en to-trins proces, rapporterer forskerne. Den første fase involverer en konventionel opvarmet metalfilament, med alle de medfølgende tab. Men i stedet for at lade spildvarmen spredes i form af infrarød stråling, sekundære strukturer, der omgiver glødetråden, fanger denne stråling og reflekterer den tilbage til glødetråden for at blive reabsorberet og genudsendt som synligt lys. Disse strukturer, en form for fotonisk krystal, er lavet af jordrige elementer og kan fremstilles ved hjælp af konventionel materialeaflejringsteknologi.

Det andet trin gør en dramatisk forskel i, hvor effektivt systemet omdanner lys til elektricitet. Effektiviteten af ​​konventionelle glødelamper er mellem 2 og 3 procent, mens den for fluorescerende stoffer (inklusive CFL'er) i øjeblikket er mellem 7 og 13 procent, og LED mellem 5 og 13 procent. I modsætning, de nye to-trins glødelamper kan nå op på effektiviteter så højt som 40 procent, siger holdet.

De første proof-of-concept enheder lavet af holdet når endnu ikke det niveau, opnåelse af omkring 6,6 procent effektivitet. Men selv det foreløbige resultat matcher effektiviteten af ​​nogle af nutidens CFL'er og LED'er, påpeger de. Og det er allerede en tredobbelt forbedring i forhold til effektiviteten af ​​nutidens glødelamper.

Teamet omtaler deres tilgang som "let genbrug, " siger Ilic, da deres materiale optager det uønskede, ubrugelige bølgelængder af energi og omdanner dem til de synlige lysbølgelængder, der ønskes. "Det genbruger den energi, der ellers ville være spildt, " siger Soljačić.

Pærer og mere

En nøgle til deres succes var at designe en fotonisk krystal, der fungerer til en meget bred vifte af bølgelængder og vinkler. Selve den fotoniske krystal er lavet som en stak af tynde lag, aflejret på et underlag. "Når du sammensætter lag, med den rigtige tykkelse og rækkefølge, " forklarer Ilic, du kan få meget effektiv tuning af, hvordan materialet interagerer med lys. I deres system, de ønskede synlige bølgelængder passerer lige gennem materialet og videre ud af pæren, men de infrarøde bølgelængder bliver reflekteret som fra et spejl. De rejser derefter tilbage til filamentet, tilføjer mere varme, der så bliver omdannet til mere lys. Da kun det synlige nogensinde kommer ud, varmen bliver bare ved med at hoppe tilbage ind mod glødetråden, indtil den endelig ender som synligt lys.

Den involverede teknologi har potentiale til mange andre anvendelser udover pærer, Soljačić siger. Den samme tilgang kunne "have dramatiske konsekvenser" for ydeevnen af ​​energikonverteringsordninger såsom termo-fotovoltaik. I en termo-fotovoltaisk enhed, varme fra en ekstern kilde (kemisk, sol, osv.) får et materiale til at gløde, får den til at udsende lys, der omdannes til elektricitet af en fotovoltaisk absorber.

"LED'er er fantastiske ting, og folk burde købe dem, " siger Soljačić. "Men at forstå disse grundlæggende egenskaber" om måden lys, varme, og stof interagerer, og hvordan lysets energi kan udnyttes mere effektivt "er meget vigtigt for en lang række ting."

Han tilføjer, at "evnen til at kontrollere termiske emissioner er meget vigtig. Det er det virkelige bidrag af dette arbejde." Med hensyn til præcis hvilke andre praktiske applikationer der mest sandsynligt vil gøre brug af denne grundlæggende nye teknologi, han siger, "det er for tidligt at sige."