Jak fotonika może rehabilitować żarówkę Edisona?

Może się zdawać, że klasyczne żarówki - takie jak opracował Edison - są na najlepszej drodze do zapomnienia, ale to nieprawda. Dzięki zastosowaniu nowoczesnej technologii może udać się zmienić własności żarówek i umożliwić im dalszą pracę w naszych domach. Zespół złożony z badaczy z MIT i Purdue Universitety - w jego skład wchodzą Marin Soljačić, John Joannopoulos, Ivan Celanovic, Peter Bermel oraz Gang Chen - opracował nowatorski sposób konstrukcji żarówek, mający uczynić je bardziej wydajnymi.

Lampy żarowe od lat wypełniają nasze domy ciepłym światłem. Znane są już od ponad 100 lat i przetrwały do XXI wieku w niemalże niezmienionej formie. Teraz nastały jednak czasy nieprzychylne temu niewydajnemu źródłu światła, które przegrywa w konkurencji z energooszczędnymi świetlówkami kompaktowymi czy żarówkami LEDowymi. Opracowana przez Thomasa Edisona żarówka działa na bardzo prostej zasadzie - prąd przez nią płynący rozgrzewa wolframowy drucik do wysokiej temperatury - około 2700°C, co powoduje, że emituje on światło widzialne. Emisja gorącego ciała - opisana jako emisja ciała doskonale czarnego lub emisja termiczna - daje bardzo szerokie widmo, co przekłada się na przyjemne, ciepłe światło i dobrze oddaje kolory w naszym otoczeniu. Niestety wiąże się też z wadami - ponad 95% energii którą wprowadzamy do żarówki jest marnowana - zmienia się w ciepło itp. Dlatego też coraz więcej krajów stawia na inne źródła światła, mające być bardziej wydajne.

Najnowsze odkrycie z zakresu fotoniki być może pozwoli to zmienić. Wynalazek badaczy opublikowany został w prestiżowym czasopiśmie Nature Nanotechnology.



Recycling światła

Kluczowym elementem nowego rozwiązania jest stworzenie dwuetapowego procesu - pierwszy to klasyczne włókno żarowe, a drugi to sprytne zwierciadło. Włókno żarowe generuje ciepło, głównie pod postacią emitowanej podczerwieni, fotoniczne zwierciadło nie pozwala na jego emisję poza żarówkę - odbija je z powrotem do włókna żarówki, rozgrzewając je jeszcze bardziej. Dzięki temu wydajność układu wynosi teoretycznie około 40% - dla porównania wydajność żarówek LEDowych to od 5% do 13% a świetlówek kompaktowych od 7% do 13%.

Otaczający włókno żarówki kryształ fotoniczny wykonany jest z łatwo dostępnych materiałów i może być wykonany z wykorzystaniem dobrze znanych technik nanoszenia warstw. Zespół naukowców opracował dopiero pierwsze prototypy systemu o wydajności równej niecałym 7%, jednakże nawet już taka wartość pozwala na dorównanie niektórym żarówkom energooszczędnym. Wszystko dzięki recyclingowi światła, a dokładniej jego części, która jest niepożądana i normalnie marnowana.

Żarówki i dalsze perspektywy

Kluczowym elementem sukcesu nowego wynalazku jest opracowanie kryształu fotonicznego działającego w dużym zakresie kątów i długości fali. Wykorzystany w wynalazku kryształ składa się z odpowiednio dobranych warstw, sprawiających, że tylko światło widzialne wychodzi na zewnątrz żarówki, podczerwień zawracana jest do środka i odzyskiwana poprzez reabsorbcję przez włókno żarowe. Wykorzystana technologia ma wiele innych zastosowań poza żarówkami, szczególnie w systemach zbierających energię słoneczną, na przykład fotowoltaice.

"Oświetlenie LEDowe to wspaniała rzecz i ludzie powinni je kupować. Jednakże zrozumienie podstawowych własności tego jak oddziałuje ze sobą ciepło, światło i materia i jak można lepiej okiełznać energię światła jest bardzo ważna dla wielu rzeczy. Możliwość kontrolowania emisji termicznej jest bardzo ważna - to najistotniejszy element tej pracy, ale za wcześnie jest mówić, jakie mogą być zastosowania nowej technologii" - podsumowuje Soljačić.

Źródło: http://phys.org/news/2016-01-photonics-reshape-spectrum-edison-bulb.html#jCp