Un equipo de investigación internacional ha utilizado un "metamaterial térmico" para controlar la emisión de radiación a altas temperaturas, un avance que podría llevar a los dispositivos capaces de recolectar eficientemente el calor residual de las plantas y fábricas de energía.
Aproximadamente del 50 al 60 por ciento de la energía generada en las plantas de energía a base de carbón y petróleo se desperdicia en forma de calor. Sin embargo, los dispositivos termo-fotovoltaicos que generan electricidad a partir de la radiación térmica podrían adaptarse a tuberías industriales en fábricas y plantas de energía, así como enmotores de automóviles y sistemas de escape automotrices, para recuperar gran parte de la energía desperdiciada.
En nuevos hallazgos, los investigadores demostraron cómo restringir la emisión de radiación térmica a una porción del espectro más necesaria para la tecnología termo-fotovoltaica.
"Estos dispositivos requieren una emisión térmica adaptada espectralmente a altas temperaturas, y nuestra investigación muestra que las propiedades intrínsecas de los materiales pueden controlarse para que un objeto muy caliente brille solo en ciertos colores", dijo Zubin Jacob, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática.en la Universidad de Purdue. "La idea principal es comenzar a controlar las emisiones térmicas a temperaturas récord como nunca antes se había hecho".
El metamaterial térmico - capas de nanoescala de tungsteno y óxido de hafnio - se utilizó para suprimir la emisión de una parte del espectro mientras se mejora la emisión en otra. Una animación está disponible en http://youtu.be/mRhcNF1yyyU .
Los metamateriales son medios compuestos que contienen características, patrones o elementos como pequeñas nanoantenas que permiten un control sin precedentes de la luz. En desarrollo durante aproximadamente 15 años, los metamateriales deben sus capacidades inusuales para el diseño y la fabricación de precisión en la escala de nanómetros.
"Se han utilizado principalmente para manipular luz coherente, como en un láser, pero la capacidad de manipular la radiación térmica infrarroja a 1,000 C abre nuevas áreas de investigación", dijo Jacob. "La técnica que utilizamos para lograr esta supresión térmicay la mejora es fundamentalmente diferente de los enfoques de ingeniería térmica existentes y aprovecha un fenómeno llamado transiciones topológicas ".
Los resultados se detallaron en un trabajo de investigación publicado a principios de este año en la revista Nature Communications. El trabajo fue realizado por investigadores de Purdue, la Universidad Tecnológica de Hamburgo en Alemania, la Universidad de Alberta en Canadá y el Centro Helmholtz-Zentrum Geesthacht para Materialese Investigación Costera en Alemania. Los coautores principales fueron el investigador postdoctoral de la Universidad Tecnológica de Hamburgo, Pavel Dyachenko, y el estudiante de doctorado de la Universidad de Alberta, Sean Molesky.
La investigación representa la primera vez que se utilizó el enfoque para la emisión térmica en metamateriales de alta temperatura, también llamados metamateriales refractarios.
"Mi alumno, Sean Molesky, lo predijo teóricamente en 2012, y nuestros colaboradores han tardado unos cuatro años y algunos ingenieros de materiales excepcionales en realizar los experimentos de alta temperatura y demostrar el metamaterial térmico", dijo Jacob.
El principio operativo básico de una célula fotovoltaica es que un material semiconductor se ilumina con luz, lo que hace que los electrones se muevan de un nivel de energía a otro. Los electrones en el semiconductor ocupan una región de energía llamada banda de valencia mientras el material está en eloscuro. Pero la luz brillante sobre el material hace que los electrones absorban energía, elevándolos a una región de mayor energía llamada banda de conducción. A medida que los electrones se mueven hacia la banda de conducción, dejan atrás "agujeros" en la banda de cenefa.entre ambas bandas, donde no existen electrones, se llama brecha de banda.
"Si tiene energía por debajo del intervalo de banda, generalmente se desperdicia", dijo Jacob. "Entonces, lo que desea hacer para la conversión de energía térmica de alta eficiencia es suprimir la emisión térmica por debajo del intervalo de banda y mejorarla por encima de la bandabrecha, y esto es lo que hemos hecho. Hemos utilizado la transición topológica de una manera que no se había hecho antes para la mejora y supresión térmicas, mejorando la parte de alta energía del espectro de emisión y suprimiendo los fotones térmicos de baja energía.nos permite emitir luz solo dentro del espectro de energía por encima del intervalo de banda ".
Los otros autores del artículo fueron Jacob; los investigadores de la Universidad Tecnológica de Hamburgo Alexander Yu Petrov, Slawa Lang, Manfred Eich, T. Krekeler y M. Ritter; y el científico investigador principal Michael Störmer del Centro Helmholtz-Zentrum Geesthacht para Investigación de Materiales y Costas.
La investigación futura incluirá trabajo para convertir la radiación de calor de un metamaterial térmico en pares de electrones en un material semiconductor, un paso crítico en el desarrollo de la tecnología. La tecnología termo-fotovoltaica podría estar lista para su comercialización dentro de siete años, dijo Jacob.
La investigación fue financiada por la Fundación Alemana de Investigación, el Consejo Nacional de Investigación de Ciencia e Ingeniería de Canadá, Alberta Innovates Technology Futures y la Iniciativa Helmholtz-Alberta.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Purdue . Original escrito por Emil Venere. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :