Un'immagine al microscopio elettronico a scansione mostra cavità su scala submicronica modellate in film di nanotubi di carbonio allineati sviluppati alla Rice University. Le cavità intrappolano i fotoni termici e restringono la loro larghezza di banda, trasformandoli in luce che può poi essere riciclata come elettricità. Credito:Naik Lab/Rice University
Il sempre più umile nanotubo di carbonio potrebbe essere solo il dispositivo per rendere i pannelli solari, e qualsiasi altra cosa che perde energia attraverso il calore, molto più efficiente.
Gli scienziati della Rice University stanno progettando array di nanotubi di carbonio a parete singola allineati per incanalare la radiazione nel medio infrarosso (nota anche come calore) e aumentare notevolmente l'efficienza dei sistemi di energia solare.
Gururaj Naik e Junichiro Kono della Brown School of Engineering di Rice hanno introdotto la loro tecnologia in Fotonica ACS .
La loro invenzione è un emettitore termico iperbolico in grado di assorbire il calore intenso che altrimenti verrebbe vomitato nell'atmosfera, spremerlo in una larghezza di banda stretta ed emetterlo come luce che può essere trasformata in elettricità.
La scoperta si basa su un'altra del gruppo di Kono nel 2016 quando ha trovato un metodo semplice per rendere altamente allineati, film su scala wafer di nanotubi ravvicinati.
Discussioni con Naik, che si è unito a Rice nel 2016, ha portato la coppia a vedere se i film potevano essere usati per dirigere "fotoni termici".
"I fotoni termici sono solo fotoni emessi da un corpo caldo, " disse Kono. "Se guardi qualcosa di caldo con una telecamera a infrarossi, lo vedi brillare. La fotocamera sta catturando questi fotoni eccitati termicamente".
La radiazione infrarossa è una componente della luce solare che fornisce calore al pianeta, ma è solo una piccola parte dello spettro elettromagnetico. "Qualsiasi superficie calda emette luce come radiazione termica, " Naik ha detto. "Il problema è che la radiazione termica è a banda larga, mentre la conversione della luce in elettricità è efficiente solo se l'emissione è in una banda stretta.
Xinwei Li, studente laureato alla Rice University, sinistra, e il ricercatore post-dottorato Weilu Gao ha utilizzato pellicole di nanotubi di carbonio che Gao ha aiutato a sviluppare per creare un dispositivo per riciclare il calore di scarto. Potrebbe in definitiva migliorare la produzione di celle solari e aumentare l'efficienza del recupero industriale del calore di scarto. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
"La sfida era quella di spremere i fotoni a banda larga in una banda stretta, " Egli ha detto.
I film di nanotubi hanno offerto l'opportunità di isolare i fotoni nel medio infrarosso che altrimenti sarebbero andati sprecati. "Questa è la motivazione, " Naik ha detto. "Uno studio di Chloe Doiron (co-autore principale e studentessa laureata alla Rice) ha rilevato che circa il 20% del nostro consumo energetico industriale è calore di scarto. Sono circa tre anni di elettricità solo per lo stato del Texas. È un sacco di energia sprecata.
"Il modo più efficiente per trasformare il calore in elettricità ora è usare le turbine, e vapore o qualche altro liquido per guidarli, " ha detto. "Possono darti quasi il 50% di efficienza di conversione. Nient'altro ci avvicina a questo, ma quei sistemi non sono facili da implementare." Naik e i suoi colleghi mirano a semplificare il compito con un sistema compatto che non ha parti mobili.
I film di nanotubi allineati sono condotti che assorbono il calore di scarto e lo trasformano in fotoni a banda stretta. Poiché gli elettroni nei nanotubi possono viaggiare solo in una direzione, i film allineati sono metallici in quella direzione mentre isolano nella direzione perpendicolare, un effetto Naik chiamato dispersione iperbolica. I fotoni termici possono colpire la pellicola da qualsiasi direzione, ma può partire solo tramite uno.
"Invece di passare dal calore direttamente all'elettricità, passiamo dal calore alla luce all'elettricità, " Naik ha detto. "Sembra che due fasi sarebbero più efficienti di tre, ma qui, non è così".
Una simulazione della Rice University mostra una serie di cavità modellate in un film di nanotubi di carbonio allineati. Quando ottimizzato, il film assorbe fotoni termici ed emette luce in una larghezza di banda stretta che può essere riciclata come elettricità. Credito:Chloe Doiron/Rice University
Naik ha affermato che l'aggiunta degli emettitori alle celle solari standard potrebbe aumentare la loro efficienza dall'attuale picco di circa il 22%. "Spremendo tutta l'energia termica sprecata in una piccola regione spettrale, possiamo trasformarlo in elettricità in modo molto efficiente, " ha detto. "La previsione teorica è che possiamo ottenere l'80% di efficienza".
I film di nanotubi si adattano al compito perché resistono a temperature fino a 1, 700 gradi Celsius (3, 092 gradi Fahrenheit). Il team di Naik ha costruito dispositivi proof-of-concept che hanno permesso loro di operare fino a 700 C (1, 292 F) e confermare la loro uscita a banda stretta. Per farli, il team ha modellato serie di cavità su scala submicronica nei film delle dimensioni di un chip.
"C'è una serie di questi risonatori, e ognuno di loro emette fotoni termici proprio in questa stretta finestra spettrale, " Ha detto Naik. "Il nostro obiettivo è raccoglierli utilizzando una cella fotovoltaica e convertirla in energia, e dimostrare che possiamo farlo con alta efficienza."
