Prelomový nanofotonický materiál mení teplo na elektrinu

Nový nanofotonický materiál, vyvinutý tímom inžinierov chemických a materiálových vied pod vedením Michiganskej univerzity, prekonal rekordy v oblasti vysokoteplotnej stability. Môže tak priniesť efektívnejšiu výrobu elektriny a otvoriť množstvo nových možností v oblasti kontroly a konverzie tepelného žiarenia. Materiál riadi tok infračerveného žiarenia a je stabilný na vzduchu pri teplotách okolo 1100 stupňov Celzia, čo je takmer dvojnásobné zlepšenie oproti existujúcim prístupom.

Materiál využíva jav nazývaný deštruktívna interferencia na odrážanie infračervenej energie, pričom prepúšťa kratšie vlnové dĺžky. To by mohlo potenciálne znížiť plytvanie teplom v termofotovoltických článkoch, ktoré premieňajú teplo na elektrickú energiu, ale nemôžu využívať infračervenú energiu, tak, že infračervené vlny sa odrážajú späť do systému. Materiál by mohol byť užitočný aj v optickej fotovoltike, tepelnom zobrazovaní, ekologických náteroch, snímaní, maskovaní pred infračervenými sledovacími zariadeniami a ďalších aplikáciách.

„Je to podobné spôsobu, ako motýlie krídla využívajú interferenciu vĺn na získanie svojej farby. Motýlie krídla sa skladajú z bezfarebných materiálov, ktoré sú však štruktúrované a vzorované tak, že absorbujú niektoré vlnové dĺžky bieleho svetla, ale odrážajú iné, čím vytvárajú dojem farby,“ povedal Andrej Lenert, odborný asistent chemického inžinierstva na Michiganskej univerzite a spoluautor štúdie uverejnenej v časopise Nature Photonics. „Tento materiál robí niečo podobné s infračervenou energiou.“

Je to výrazný odklon od súčasných technických tepelných žiaričov, ktoré zvyčajne používajú peny a keramiku na obmedzenie infračervených emisií. Tieto materiály sú stabilné pri vysokej teplote, ale ponúkajú veľmi obmedzenú kontrolu nad tým, ktoré vlnové dĺžky prepúšťajú. Nanofotonika by mohla ponúknuť oveľa lepšie nastaviteľnú kontrolu, ale doterajšie úsilie zlyhávalo pri vysokých teplotách, materiály sa často tavili alebo oxidovali. Okrem toho si mnohé nanofotonické materiály zachovávajú stabilitu len vo vákuu.

Nový materiál by mal vyriešiť tento problém, pričom prekonal predchádzajúci rekord v tepelnej odolnosti medzi vzduchovo stabilnými fotonickými kryštálmi o viac ako 480 stupňov Celzia pod holým nebom. Okrem toho je materiál laditeľný, čo umožňuje výskumníkom upraviť ho tak, aby modifikoval energiu pre širokú škálu potenciálnych aplikácií. Výskumný tím predpokladá, že použitie tohto materiálu na existujúcu termofotovoltiku zvýši účinnosť o 10 %, a verí, že pri ďalšej optimalizácii bude možné dosiahnuť oveľa väčšie zvýšenie efektívnosti.

Lenertov tím začal hľadaním materiálov, ktoré by sa nemiešali, ani keby sa začali taviť. Malo ísť o materiály s veľmi odlišnou kryštálovou štruktúrou, pretože tie sa zvyčajne nemiešajú. Predpokladali, že kombinácia kamennej soli a perovskitu, minerálu vyrobeného z oxidov vápnika a titánu, by mohla vyhovovať. Simulácie vykonané na superpočítačoch potvrdili, že táto kombinácia je dobrá. 

Potom výskumníci opatrne nanášali materiál pomocou impulzovej laserovej depozície, aby dosiahli presné vrstvy s hladkými rozhraniami. Aby bol materiál ešte odolnejší, namiesto bežných fotonických materiálov použili oxidy; tie sa dajú vrstviť presnejšie a je menej pravdepodobné, že sa pri vysokých teplotách znehodnotia. Po tom, ako testovanie potvrdilo, že materiál funguje podľa návrhu, Sean McSherry, prvý autor štúdie, použil počítačové modelovanie na identifikáciu stoviek ďalších kombinácií materiálov, ktoré by tiež mohli fungovať.

Zdroj: thebrighterside.news.