Отработанное тепло могло бы стать ценным источником энергии — если бы мы смогли найти способ его эффективно собрать.
У двух исследователей из Университета Дьюка есть план сделать именно это. Они разработали новое термофотоэлектрическое устройство, которое собирает излишнюю тепловую энергию на уровне волн инфракрасного излучения.
Их устройство предназначено для улучшения термофотоэлектрических ячеек такого типа солнечного элемента, который использует инфракрасное излучение или тепло, а не видимый свет, поглощаемый традиционными солнечными элементами.
Ученые работают над созданием термофотоэлектрических материалов, которые достаточно практичны для сбора тепловой энергии в горячих местах, например, вокруг печей, используемых в стекольной промышленности. Они также могут быть использованы для конвертации тепла, поступающего от двигателей транспортных средств, в энергию для зарядки автомобильной батареи.
«Поскольку инфракрасное излучение или интенсивность излучения контролируемо, этот новый инфракрасный излучатель может обеспечить индивидуальный способ сбора и использования энергии тепла», — сказал Вилли Дж. Падилья (Willie J. Padilla) из Университета Дьюка, Северная Каролина. «Существует большой интерес в использовании отработанного тепла, и наша технология может улучшить этот процесс».
Устройство использует метаматериалы, синтетические материалы, которые демонстрируют свойства, недоступные природным, их разрабатывали для высокоэффективного поглощения и излучения инфракрасных волн.
Объединив метаматериал с электронно-управляемым движением, доступным с помощью микроэлектромеханических систем (MEMS), исследователи создали первое устройство, способное создавать инфракрасное излучение, которое может быть быстро изменено на уровне мельчайших элементов структуры устройства — пикселей.
Крошечное термофотоэлектрическое устройство — это матрица 8 × 8 индивидуально управляемых пикселей, каждый размером 120 × 120 микрон.
Ученые продемонстрировали работу устройства, создав букву «D», комбинируя активные и не активные пиксели, видимую с помощью инфракрасной камеры.
Исследователи сообщают, что их инфракрасный излучатель может обеспечить различную интенсивность излучения ИК диапазона и может отображать шаблоны со скоростью до 110 кГц или более 100 000 раз в секунду.
В отличие от методов, обычно используемых для достижения излучения с переменной интенсивностью в инфракрасном диапазоне, новая технология не требует какого-либо изменения температуры.
Поскольку материал не нагревается и не охлаждается, устройство можно использовать при комнатной температуре, в то время как другие методы требуют высоких рабочих температур. Хотя эксперименты с природными материалами были успешными при комнатной температуре, они ограничены узкими диапазонами инфракрасного спектра.
«Кроме того, что устройство может работать при комнатной температуре, использование метаматериалов позволяет легко масштабировать их в инфракрасном диапазоне и на видимой или более низкой частоте», — сказал Падилья. «Это потому, что свойства устройства достигаются геометрией, а не химической природой составляющих материалов, которые мы используем».
Новый реконфигурируемый инфракрасный излучатель состоит из подвижного верхнего слоя узорчатого металлического метаматериала и нижнего металлического слоя, который остается неподвижным. Устройство поглощает инфракрасные фотоны и излучает их с высокой эффективностью, когда два слоя касаются друг друга, но излучает меньше энергии ИК излучения, когда эти два слоя не имеют контакта. Подваемое напряжение контролирует движение верхнего слоя, и количество испускаемой энергии ИК излучения напрямую зависит от его значения.
Используя инфракрасную камеру, исследователи продемонстрировали, что они могут динамически изменять количество инфракрасных фотонов, выходящих с поверхности MEMS-материала, в диапазоне интенсивностей, эквивалентному изменению температуры почти 20 градусов по Цельсию.
Исследователи говорят, что они могут модифицировать метаматериальные структуры, используемые в верхнем слое, для создания различных цветных инфракрасных пикселей, каждый из которых можно было бы индивидуально настраивать по интенсивности.
Это может позволить создать инфракрасные пиксели, которые похожи на пиксели RGB, используемые в экранах мониторов. В настоящее время они работают над расширением технологии, создав устройство с большим количеством пикселей — до 128 X 128 — и увеличив размер пикселей.
«В принципе подход, подобный нашему, может быть использован для создания многих видов динамических эффектов из реконфигурируемых метаматериалов», — сказал Падилья. «Оно может быть использовано для достижения динамического инфракрасного оптического плаща или отрицательного показателя преломления в инфракрасном диапазоне, например».
