Квантовая конструкция преобразила тепло в электричество22.11.2024 12:31

Ученые из Университета Райса нашли способ усовершенствовать ключевой элемент термофотоэлектрических (ТФЭ) систем. Эти системы преобразуют тепло в электричество с помощью света. Используя нетрадиционный подход, вдохновленный квантовой физикой, инженер Райса Гурурадж Наик и его команда разработали тепловой излучатель, который может обеспечить высокую эффективность на практике, пишет Phys.org.

Типичные системы ТФЭ включают два основных компонента: фотоэлектрические элементы, которые преобразуют свет в электричество, и тепловые излучатели, которые преобразуют тепло в свет. Оба этих компонента должны работать хорошо, чтобы система была эффективной. В новом исследовании ученые направили все усилия на оптимизацию фотоэлектрических элементов.

«Использование традиционных подходов к проектированию ограничивает пространство для проектирования тепловых излучателей, и в конечном итоге вы получаете один из двух сценариев: практичные, низкопроизводительные устройства или высокопроизводительные излучатели, которые трудно интегрировать в реальные приложения», — комментирует Наик, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Университете Райса.

Новый излучатель ученых состоит из листа вольфрамового металла, тонкого слоя разделительного материала и сети кремниевых наноцилиндров. При нагревании базовые слои накапливают тепловое излучение, которое можно представить как ванну с фотонами. Крошечные резонаторы, расположенные сверху, «общаются» друг с другом таким образом, что это позволяет им «выхватывать фотон за фотоном» из ванны, контролируя яркость и полосу пропускания света, посылаемого в фотоэлемент.

«Вместо того чтобы сосредоточиться на производительности систем с одним резонатором, мы приняли во внимание способ взаимодействия резонаторов между собой, что открыло новые возможности. Это дало нам контроль над тем, как фотоны хранятся и высвобождаются», — объясняет эксперт.

Селективная эмиссия, достигнутая благодаря пониманию квантовой физики, максимизирует преобразование энергии и позволяет достичь более высокой эффективности, чем это было возможно ранее. По словам экспертов, эффективность работы системы уже достигает 60%. Чтобы улучшить показатель, необходимо разработать или открыть новые материалы с лучшими свойствами.

Технологии преобразования энергии сегодня очень востребованы, считают авторы исследования. Их разработка может быть использована в отраслях, где генерируются большие объемы отработанного тепла, например, на атомных электростанциях или производственных предприятиях. Кроме того,  она пригодится в космических приложениях, включая элементы питания марсоходов.

Кстати о марсоходах. Curiosity заметил на Красной планете поле цветных камней. Рассказали, что именно увидел и сфотографировал ровер.