Una lampadina a incandescenza nanofotonica dimostra la capacità di personalizzare la luce irradiata da un oggetto caldo. Credito:MIT
Lampadine tradizionali, pensavano di essere sulla buona strada per l'oblio, può ricevere una tregua grazie a una svolta tecnologica.
L'illuminazione a incandescenza e il suo calore, il bagliore familiare ha ben più di un secolo ma sopravvive praticamente immutato nelle case di tutto il mondo. che sta cambiando velocemente, però, poiché le normative volte a migliorare l'efficienza energetica stanno eliminando gradualmente le vecchie lampadine a favore di lampadine fluorescenti compatte (CFL) più efficienti e di nuove lampadine a diodi emettitori di luce (LED).
lampadine a incandescenza, sviluppato commercialmente da Thomas Edison (e ancora utilizzato dai fumettisti come simbolo di intuizione inventiva), lavorare riscaldando un sottile filo di tungsteno a temperature di circa 2, 700 gradi Celsius. Quel filo caldo emette quella che è nota come radiazione del corpo nero, uno spettro di luce molto ampio che fornisce un aspetto caldo e una resa fedele di tutti i colori in una scena.
Ma queste lampadine hanno sempre sofferto di un grosso problema:più del 95 percento dell'energia che vi entra viene sprecata, la maggior parte come calore. Ecco perché un paese dopo l'altro ha vietato o sta eliminando gradualmente la tecnologia inefficiente. Ora, i ricercatori del MIT e della Purdue University potrebbero aver trovato un modo per cambiare tutto questo.
Le nuove scoperte sono riportate sulla rivista Nanotecnologia della natura da tre professori del MIT:Marin Soljačić, professore di fisica; John Joannopoulos, il professore di fisica Francis Wright Davis; e Gang Chen, il professore di ingegneria energetica Carl Richard Soderberg e il ricercatore del MIT Ivan Celanovic, postdoc Ognjen Ilic, e professore di fisica alla Purdue (e alumno del MIT) Peter Bermel PhD '07.
Un diagramma schematico di un nuovo tipo di filtro che potrebbe ravvivare l'illuminazione a incandescenza e rendere possibile una generazione di elettricità solare più efficiente. Lo schema mostra la tecnologia da una vista frontale e laterale. Credito:Purdue University-MIT Image/Peter Bermel
Riciclo leggero
La chiave è creare un processo in due fasi, riferiscono i ricercatori. La prima fase prevede un filamento metallico riscaldato convenzionale, con tutte le relative perdite. Ma invece di lasciare che il calore disperso si disperda sotto forma di radiazione infrarossa, le strutture secondarie che circondano il filamento catturano questa radiazione e la riflettono sul filamento per essere riassorbita e riemessa come luce visibile. Queste strutture, una forma di cristallo fotonico, sono costituiti da elementi abbondanti della Terra e possono essere realizzati utilizzando la tecnologia convenzionale di deposizione di materiale.
Questo secondo passaggio fa una notevole differenza nell'efficienza con cui il sistema converte la luce in elettricità. L'efficienza delle luci a incandescenza convenzionali è compresa tra il 2 e il 3%, mentre quello delle lampade fluorescenti (comprese le CFL) è attualmente compreso tra il 7 e il 13%, e quella dei LED tra il 5 e il 13%. In contrasto, le nuove lampade a incandescenza a due stadi potrebbero raggiungere efficienze fino al 40%, dice la squadra.
Le prime unità proof-of-concept realizzate dal team non raggiungono ancora quel livello, raggiungendo circa il 6,6 per cento di efficienza. Ma anche questo risultato preliminare corrisponde all'efficienza di alcuni degli odierni CFL e LED, fanno notare. Ed è già un triplice miglioramento rispetto all'efficienza delle odierne lampadine a incandescenza.
Il team si riferisce al loro approccio come "riciclaggio della luce, "dice Ilic, poiché il loro materiale accoglie l'indesiderato, lunghezze d'onda inutili di energia e le converte nelle lunghezze d'onda della luce visibile desiderate. "Ricicla l'energia che altrimenti andrebbe sprecata, "dice Soljačić.
Lampadine e non solo
Una delle chiavi del loro successo è stata la progettazione di un cristallo fotonico che funziona per una gamma molto ampia di lunghezze d'onda e angoli. Il cristallo fotonico stesso è costituito da una pila di strati sottili, depositato su un substrato. "Quando metti insieme gli strati, con i giusti spessori e sequenza, "Ilic spiega, puoi ottenere una messa a punto molto efficiente di come il materiale interagisce con la luce. Nel loro sistema, le lunghezze d'onda visibili desiderate passano attraverso il materiale e fuori dal bulbo, ma le lunghezze d'onda infrarosse vengono riflesse come da uno specchio. Quindi tornano al filamento, aggiungendo più calore che poi viene convertito in più luce. Poiché solo il visibile esce mai, il calore continua a rimbalzare verso il filamento finché non finisce come luce visibile.
La tecnologia in questione ha il potenziale per molte altre applicazioni oltre alle lampadine, dice Soljačić. Lo stesso approccio potrebbe "avere implicazioni drammatiche" per le prestazioni di schemi di conversione energetica come il termo-fotovoltaico. In un dispositivo termo-fotovoltaico, calore da una fonte esterna (chimica, solare, ecc.) fa risplendere un materiale, facendo sì che emetta luce che viene convertita in elettricità da un assorbitore fotovoltaico.
"I LED sono grandi cose, e la gente dovrebbe comprarli, " dice Soljačić. "Ma comprendendo queste proprietà di base" sul modo in cui la luce, calore, e la materia interagiscono e il modo in cui l'energia della luce può essere sfruttata in modo più efficiente "è molto importante per un'ampia varietà di cose".
E aggiunge che "la capacità di controllare le emissioni termiche è molto importante. Questo è il vero contributo di questo lavoro". Per quanto riguarda esattamente quali altre applicazioni pratiche hanno maggiori probabilità di utilizzare questa nuova tecnologia di base, lui dice, "è presto per dirlo".
