En nanofoton glödlampa visar förmågan att skräddarsy ljus som utstrålas av ett hett föremål. Kredit:MIT
Traditionella glödlampor, tros vara på god väg till glömskan, kan få en uppskov tack vare ett tekniskt genombrott.
Glödande belysning och dess varma, bekant glöd är långt över ett sekel gammalt men överlever i praktiken oförändrat i hem runt om i världen. Det förändras snabbt, dock, eftersom bestämmelser som syftar till att förbättra energieffektiviteten fasar ut de gamla lamporna till förmån för mer effektiva kompaktlysrör (CFL) och nyare lysdioder (LED).
Glödlampor, kommersiellt utvecklad av Thomas Edison (och används fortfarande av tecknare som symbol för uppfinningsrik insikt), arbeta genom att värma en tunn volframtråd till temperaturer på cirka 2, 700 grader Celsius. Den heta tråden avger det som kallas svart kroppsstrålning, ett mycket brett spektrum av ljus som ger ett varmt utseende och en trogen återgivning av alla färger i en scen.
Men dessa lökar har alltid lidit av ett stort problem:Mer än 95 procent av energin som går till dem går till spillo, det mesta som värme. Det är därför som land efter land har förbjudit eller fasar ut den ineffektiva tekniken. Nu, forskare vid MIT och Purdue University kan ha hittat ett sätt att ändra allt detta.
De nya fynden rapporteras i tidningen Naturnanoteknik av tre MIT -professorer - Marin Soljačić, professor i fysik; John Joannopoulos, Francis Wright Davis professor i fysik; och Gang Chen, Carl Richard Soderberg -professorn i kraftteknik - liksom MIT -forskaren Ivan Celanovic, postdoc Ognjen Ilic, och Purdue fysikprofessor (och MIT -alumn) Peter Bermel PhD '07.
Ett schematiskt diagram över en ny typ av filter som kan återuppliva glödbelysning och möjliggöra en effektivare solenergiproduktion. Schemat visar tekniken framifrån och från sidan. Upphovsman:Purdue University-MIT Image/Peter Bermel
Lätt återvinning
Nyckeln är att skapa en tvåstegsprocess, forskarna rapporterar. Det första steget innefattar en konventionell uppvärmd metalltråd, med alla dess förluster. Men istället för att låta spillvärmen försvinna i form av infraröd strålning, sekundära strukturer som omger glödtråden fångar upp denna strålning och reflekterar den tillbaka till glödtråden för att återupptas och återutsändas som synligt ljus. Dessa strukturer, en form av fotonisk kristall, är gjorda av jordartade element och kan tillverkas med konventionell materialavsättningsteknik.
Det andra steget gör en dramatisk skillnad i hur effektivt systemet omvandlar ljus till elektricitet. Effektiviteten hos konventionella glödlampor är mellan 2 och 3 procent, medan fluorescens (inklusive CFL) för närvarande ligger mellan 7 och 13 procent, och för lysdioder mellan 5 och 13 procent. I kontrast, de nya tvåstegsglödlamporna kan uppnå effektivitet upp till 40 procent, säger laget.
De första proof-of-concept-enheterna som gjorts av teamet når ännu inte den nivån, uppnå cirka 6,6 procents effektivitet. Men även det preliminära resultatet matchar effektiviteten hos några av dagens CFL och lysdioder, de påpekar. Och det är redan en trefaldig förbättring jämfört med dagens glödlampors effektivitet.
Teamet hänvisar till deras tillvägagångssätt som "lätt återvinning, säger Ilic, eftersom deras material tar in det oönskade, värdelösa våglängder av energi och omvandlar dem till de synliga ljusets våglängder som önskas. "Det återvinner energin som annars skulle gå till spillo, säger Soljačić.
Lökar och bortom
En nyckel till deras framgång var att designa en fotonisk kristall som fungerar för ett mycket brett spektrum av våglängder och vinklar. Själva den fotoniska kristallen är gjord som en bunt med tunna lager, avsatt på ett substrat. "När du sätter ihop lager, med rätt tjocklek och sekvens, "Ilic förklarar, du kan få mycket effektiv inställning av hur materialet interagerar med ljus. I deras system, de önskade synliga våglängderna passerar rakt igenom materialet och ut ur glödlampan, men de infraröda våglängderna reflekteras som från en spegel. De reser sedan tillbaka till glödtråden, lägga till mer värme som sedan omvandlas till mer ljus. Eftersom bara det synliga någonsin kommer ut, värmen fortsätter bara att studsa tillbaka mot glödtråden tills den slutligen slutar som synligt ljus.
Den involverade tekniken har potential för många andra applikationer förutom glödlampor, Säger Soljačić. Samma tillvägagångssätt kan "få dramatiska konsekvenser" för utförandet av energiomvandlingssystem, såsom termofotovoltaik. I en termofotovoltaisk enhet, värme från en extern källa (kemisk, sol, etc.) får ett material att lysa, får den att avge ljus som omvandlas till elektricitet av en solcellsabsorberare.
"Lysdioder är bra saker, och folk borde köpa dem, "Säger Soljačić." Men att förstå dessa grundläggande egenskaper "om hur ljus, värme, och materia interagerar och hur ljusets energi kan utnyttjas mer effektivt "är mycket viktigt för en mängd olika saker."
Han tillägger att "förmågan att kontrollera termiska utsläpp är mycket viktig. Det är det verkliga bidraget från detta arbete." När det gäller exakt vilka andra praktiska tillämpningar som mest sannolikt kommer att använda denna grundläggande nya teknik, han säger, "Det är för tidigt att säga."
