El nanotubo de carbono cada vez más humilde puede ser solo el dispositivo para hacer paneles solares, y cualquier otra cosa que pierda energía a través del calor, mucho más eficiente.
Los científicos de la Universidad de Rice están diseñando matrices de nanotubos de carbono alineados de una sola pared para canalizar la radiación infrarroja media también conocida como calor y aumentar en gran medida la eficiencia de los sistemas de energía solar.
Gururaj Naik y Junichiro Kono de la Escuela de Ingeniería Brown de Rice introdujeron su tecnología en ACS Photonics .
Su invención es un emisor térmico hiperbólico que puede absorber calor intenso que de otra forma se arrojaría a la atmósfera, exprimirlo en un ancho de banda estrecho y emitirlo como luz que se puede convertir en electricidad.
El descubrimiento se basa en otro del grupo de Kono en 2016 cuando encontró un método simple para hacer películas altamente alineadas, a escala de obleas, de nanotubos muy juntos.
Las discusiones con Naik, quien se unió a Rice en 2016, llevaron a la pareja a ver si las películas podían usarse para dirigir "fotones térmicos".
"Los fotones térmicos son solo fotones emitidos por un cuerpo caliente", dijo Kono. "Si miras algo caliente con una cámara infrarroja, ves que brilla. La cámara está capturando estos fotones térmicamente excitados".
La radiación infrarroja es un componente de la luz solar que entrega calor al planeta, pero es solo una pequeña parte del espectro electromagnético. "Cualquier superficie caliente emite luz como radiación térmica", dijo Naik. "El problema es que la radiación térmica es de banda ancha, mientras que la conversión de luz a electricidad es eficiente solo si la emisión es en una banda estrecha.
"El desafío era comprimir los fotones de banda ancha en una banda estrecha", dijo.
Las películas de nanotubos presentaron una oportunidad para aislar fotones de infrarrojo medio que de otro modo se desperdiciarían. "Esa es la motivación", dijo Naik. "Un estudio realizado por coautora principal y estudiante graduada de Rice Chloe Doiron encontró que alrededor del 20%de nuestro consumo de energía industrial es calor residual. Eso es aproximadamente tres años de electricidad solo para el estado de Texas. Se desperdicia mucha energía.
"La forma más eficiente de convertir el calor en electricidad ahora es usar turbinas y vapor u otro líquido para conducirlas", dijo. "Pueden brindarle una eficiencia de conversión de casi el 50%. Nada más nos acerca a eso", pero esos sistemas no son fáciles de implementar ". Naik y sus colegas pretenden simplificar la tarea con un sistema compacto que no tiene partes móviles.
Las películas de nanotubos alineadas son conductos que absorben el calor residual y lo convierten en fotones de ancho de banda estrecho. Debido a que los electrones en los nanotubos solo pueden viajar en una dirección, las películas alineadas son metálicas en esa dirección mientras se aíslan en la dirección perpendicular, un efecto Naikllamada dispersión hiperbólica.Los fotones térmicos pueden golpear la película desde cualquier dirección, pero solo pueden salir por una.
"En lugar de pasar del calor directamente a la electricidad, pasamos del calor a la luz y la electricidad", dijo Naik. "Parece que dos etapas serían más eficientes que tres, pero aquí, ese no es el caso".
Naik dijo que agregar los emisores a las células solares estándar podría aumentar su eficiencia desde el pico actual de alrededor del 22%. "Al exprimir toda la energía térmica desperdiciada en una pequeña región espectral, podemos convertirla en electricidad de manera muy eficiente", dijo"La predicción teórica es que podemos obtener un 80% de eficiencia".
Las películas de nanotubos se adaptan a la tarea porque resisten temperaturas de hasta 1,700 grados Celsius 3,092 grados Fahrenheit. El equipo de Naik construyó dispositivos de prueba de concepto que les permitieron operar a hasta 700 C 1,292 F y confirmarsu producción de banda estrecha. Para hacerlos, el equipo diseñó matrices de cavidades a escala submicrométrica en las películas del tamaño de un chip.
"Hay una variedad de resonadores de este tipo, y cada uno de ellos emite fotones térmicos en esta ventana espectral estrecha", dijo Naik. "Nuestro objetivo es recolectarlos usando una célula fotovoltaica y convertirlos en energía, y demostrar que podemoshacerlo con alta eficiencia "
El investigador postdoctoral de Rice Weilu Gao es coautor y el estudiante graduado Xinwei Li es coautor. Kono es profesor de ingeniería eléctrica e informática, física y astronomía y de ciencia de materiales y nanoingeniería. Naik es profesor asistente de electricidade ingeniería informática. El programa de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía, la Fundación Nacional de Ciencias y la Fundación Robert A. Welch apoyaron la investigación.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Mike Williams. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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