Una imagen de microscopio electrónico de barrido muestra cavidades a escala submicrónica modeladas en películas de nanotubos de carbono alineados desarrollados en la Universidad de Rice. Las cavidades atrapan fotones térmicos y reducen su ancho de banda, convirtiéndolos en luz que luego se puede reciclar como electricidad. Crédito:Laboratorio Naik / Universidad Rice
El cada vez más humilde nanotubo de carbono puede ser solo el dispositivo para hacer que los paneles solares, y cualquier otra cosa que pierda energía a través del calor, sean mucho más eficientes.
Los científicos de la Universidad de Rice están diseñando matrices de nanotubos de carbono de pared simple alineados para canalizar la radiación del infrarrojo medio (también conocido 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 presentaron su tecnología en Fotónica ACS .
Su invención es un emisor térmico hiperbólico que puede absorber un calor intenso que de otro modo sería arrojado a la atmósfera. apriételo en un ancho de banda estrecho y emítelo 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 altamente alineados, películas a escala de obleas de nanotubos muy compactos.
Discusiones con Naik, que se unió a Rice en 2016, llevó 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, lo ves brillar. La cámara está capturando estos fotones térmicamente excitados ".
La radiación infrarroja es un componente de la luz solar que transmite 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 en electricidad es eficiente solo si la emisión se encuentra en una banda estrecha.
Xinwei Li, estudiante de posgrado de la Universidad Rice, izquierda, y el investigador postdoctoral Weilu Gao utilizó películas de nanotubos de carbono que Gao ayudó a desarrollar para crear un dispositivo para reciclar el calor residual. En última instancia, podría mejorar la producción de células solares y aumentar la eficiencia de la recuperación de calor residual industrial. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
"El desafío consistía en comprimir los fotones de banda ancha en una banda estrecha, " él dijo.
Las películas de nanotubos presentaron una oportunidad para aislar fotones del infrarrojo medio que de otra manera se desperdiciarían. "Esa es la motivación, ", Dijo Naik." Un estudio realizado por (coautora principal y estudiante de posgrado de Rice) Chloe Doiron encontró que aproximadamente el 20% de nuestro consumo de energía industrial es calor residual. Eso es aproximadamente tres años de electricidad solo para el estado de Texas. Eso es mucha energía desperdiciada.
"La forma más eficiente de convertir el calor en electricidad ahora es utilizar turbinas, y vapor o algún otro líquido para impulsarlos, ", 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 alineados son conductos que absorben el calor residual y lo convierten en fotones de ancho de banda estrecho. Debido a que los electrones en nanotubos solo pueden viajar en una dirección, las películas alineadas son metálicas en esa dirección mientras que aíslan en la dirección perpendicular, un efecto que Naik llamó dispersión hiperbólica. Los fotones térmicos pueden golpear la película desde cualquier dirección, pero solo puede salir a través de uno.
"En lugar de pasar del calor directamente a la electricidad, pasamos del calor a la luz a la electricidad, "Dijo Naik." Parece que dos etapas serían más eficientes que tres, pero aquí, ese no es el caso."
Una simulación de la Universidad de Rice muestra una serie de cavidades modeladas en una película de nanotubos de carbono alineados. Cuando está optimizado, la película absorbe fotones térmicos y emite luz en un ancho de banda estrecho que puede reciclarse como electricidad. Crédito:Chloe Doiron / Rice University
Naik dijo que agregar los emisores a las células solares estándar podría aumentar su eficiencia desde el pico actual de aproximadamente el 22%. "Al exprimir toda la energía térmica desperdiciada en una pequeña región espectral, podemos convertirlo 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 confirme su salida de banda estrecha. Hacerlos, el equipo modeló matrices de cavidades a escala submicrométrica en películas del tamaño de un chip.
"Hay una gran variedad de resonadores de este tipo, y cada uno de ellos emite fotones térmicos solo en esta estrecha ventana espectral, ", Dijo Naik." Nuestro objetivo es recolectarlos usando una celda fotovoltaica y convertirla en energía, y demostrar que podemos hacerlo con alta eficiencia ".
