La humanidad comenzó a reciclar relativamente temprano en su evolución: hay pruebas de que el reciclaje de basura se estaba llevando a cabo ya en el año 500 aC. ¿Qué pasa con el reciclaje de luz? Considere las bombillas: hace más de ciento treinta años, Thomas Edison patentó la primerabombilla incandescente comercialmente viable, de modo que "nadie más que el extravagante" jamás "quemaría velas de sebo", allanando el camino para más de un siglo de iluminación incandescente. De hecho, la aparición de la iluminación eléctrica fue el principal factor de motivación para el despliegue de electricidaden todos los hogares del mundo. La bombilla incandescente es un ejemplo de un emisor térmico de alta temperatura. Es muy útil, pero solo se utiliza una pequeña fracción de la luz emitida y por lo tanto energía: la mayor parte de la luz se emite en elinfrarrojo, invisible para el ojo humano, y en este contexto desperdiciado.
Ahora, en un estudio publicado en Nanotecnología de la naturaleza el 11 de enero de 2016 en línea, un equipo de investigadores del MIT describe otra forma de reciclar la luz emitida a longitudes de onda infrarrojas no deseadas mientras optimiza la emisión a longitudes de onda visibles útiles. El documento fue escrito en colaboración por científicos del MIT: postdoc Ognjen Ilic, directorEl científico investigador Ivan Celanovic, los profesores Gang Chen, John Joannopoulos, Peter Bermel ahora en Purdue y Marin Soljacic. Mientras que como prueba de concepto, el grupo de investigación construyó una bombilla incandescente con mayor eficiencia energética, el mismo enfoque también podríaser utilizado para mejorar el rendimiento de otros emisores térmicos calientes, incluidos los dispositivos termo-fotovoltaicos.
"Para un emisor térmico a temperaturas moderadas, por lo general, uno nano-modela su superficie para alterar la emisión", dice Ilic, el autor principal del estudio. "A altas temperaturas" - ¡un filamento de bombilla alcanza 3000K! - "tales nanoestructuras se deterioran y es imposible alterar el espectro de emisión al tener una nanoestructura directamente en la superficie del emisor ". El equipo resolvió el problema rodeando el objeto caliente con estructuras nanofotónicas especiales que filtran espectralmente la luz emitida, lo que significa que permitenla luz se refleja o pasa a través de su color es decir, su longitud de onda. Debido a que los filtros no están en contacto físico directo con el emisor, las temperaturas pueden ser muy altas.
Para mostrar esta idea, el equipo eligió uno de los emisores térmicos de mayor temperatura disponible: una bombilla incandescente. Los autores diseñaron nanofiltros para reciclar la luz infrarroja, mientras permitían que la luz visible pasara ". El avance clave fue"Diseña una estructura fotónica que transmite luz visible y refleja la luz infrarroja para una amplia gama de ángulos", explica Ilic. "Los filtros fotónicos convencionales generalmente funcionan para un ángulo de incidencia único. El desafío para nosotros era extender las propiedades ópticas deseadas en todas las direcciones, "una hazaña que los autores lograron usando técnicas especiales de optimización numérica.
Sin embargo, para que este esquema funcione, los autores tuvieron que rediseñar el filamento incandescente desde cero ". En una bombilla normal, el filamento es una pieza larga y rizada de alambre de tungsteno. Aquí, el filamento está mecanizado con láser deuna hoja plana de tungsteno: es completamente plana ", dice Bermel. Un filamento plano tiene un área grande y, por lo tanto, es muy eficiente para reabsorber la luz reflejada por el filtro. Al describir cómo el nuevo dispositivo difiere de lo anteriorconceptos sugeridos, Soljacic, el líder del proyecto, enfatiza que "es la combinación de las propiedades excepcionales del filtro y la forma del filamento lo que permitió un reciclaje sustancial de la luz radiada no deseada".
En el prototipo de bombilla de nuevo concepto construido por los autores, la eficiencia se aproxima a algunas bombillas fluorescentes y LED. Sin embargo, el modelo teórico predice mucho margen de mejora ". Este dispositivo experimental es una prueba de concepto, en elbajo rendimiento que podría lograrse en última instancia con este enfoque ", argumenta Celanovic. Hay otras ventajas de este enfoque:" Una característica importante es que nuestro dispositivo demostrado logra una representación de colores casi ideal ", señala Ilic, refiriéndose al requisitode fuentes de luz para reproducir fielmente los colores circundantes. Esa es precisamente la razón por la cual las luces incandescentes permanecieron dominantes durante tanto tiempo: su luz cálida ha sido preferible a la tenue iluminación fluorescente durante décadas.
Algunas cuestiones prácticas deben abordarse antes de que esta tecnología pueda ser ampliamente adoptada. "Trabajaremos estrechamente con nuestros colegas de ingeniería mecánica en el MIT para tratar de abordar los problemas de estabilidad térmica y larga vida útil", dice Soljačić. Los autores sonparticularmente entusiasmado con el potencial para producir estos dispositivos a bajo costo. "Los materiales que necesitamos son abundantes y económicos", señala Joannopoulos, "y los filtros mismos, que consisten en pilas de materiales depositados comúnmente, son susceptibles de deposición a gran escala".
Chen comenta además: "El potencial de iluminación de esta tecnología es emocionante, pero el mismo enfoque también podría usarse para mejorar el rendimiento de los esquemas de conversión de energía como la termo-fotovoltaica". En un dispositivo termo-fotovoltaico, el calor externo causa lamaterial para brillar, emitiendo luz que se convierte en una corriente eléctrica por un elemento fotovoltaico absorbente.
El último punto captura la motivación principal detrás del trabajo. "La luz irradiada de un objeto caliente puede ser bastante útil, ya sea que ese objeto sea un filamento incandescente o el Sol", dice Ilic. En esencia, este trabajo trata sobre el reciclaje térmicoligero para una aplicación específica; "un filamento de 3000 grados es una de las fuentes más populares y desafiantes para trabajar", continúa Ilic. "También es lo que lo convierte en una prueba crucial de nuestro enfoque".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Massachusetts, Instituto de Nanotecnologías para Soldados . Original escrito por Paola Rebusco. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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