ممانعت از هدر رفت انرژی در لامپ‌ها با نانوفتونیک

محققان با استفاده از نانوفتونیک موفق به افزایش کارایی لامپ‌های رشته‌ای شدند. از این فناوری می‌توان برای افزایش کارایی نمایشگرها نیز استفاده کرد

کد خبر: ۱۲۰۴۹۲۹

تاریخ: ۱۸ اسفند ۱۳۹۴ - ۰۷:۵۴

به گزارش خبرگزاری دانا، استفاده از لامپ‌های رشته‌ای سنتی به دلیل اینکه بیش از 95 درصد انرژی در آن عمدتاً به‌صورت حرارت هدر می‌رود، کاهش یافته است و این لامپ‌ها جای خود را به LEDها داده‌اند. محققان به تازگی یک لامپ حبابی ملتهب طراحی کردند که مانع اتلاف انرژی حرارتی می‌شود و از آن برای تولید مجدد نور استفاده می‌کند.

لامپ‌های سنتی قدیمی، اگرچه در مسیر فراموشی قرار دارند، اما یک فناوری جدید می‌تواند این فراموشی را تاخیر بیندازد. لامپ‌های سنتی بیش از یک قرن است که در همه خانه‌ها در سرتاسر دنیا استفاده می‌شوند، اما با توجه به اینکه دستورالعمل‌هایی برای بهبود سودمندی انرژی وضع شده است، باعث شده تا این لامپ‌های حبابی جای خود را به حباب‌های فلورسنتی موثرتر (CFLs) و حباب‌های دیود نشر نور (LEDs) جدیدتر بدهند.

حباب‌های رشته‌ای توسط ادیسون اختراع شدند که با گرم کردن یک سیم تنگستن تا دماهای نزدیک به 2700 درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند. این سیم گرم چیزی که به تابش جسم سیاه معروف است، را نشر می‌کند که یک طیف بسیار گسترده از نور است. اما این حباب‌ها همیشه یک مشکل اساسی داشته‌اند: بیش از 95 درصد انرژی عمدتاً به فرم حرارت، هدر می‌رود. به همین علت است که کشورها یکی پس از دیگری استفاده از این لامپ‌ها را ممنوع می‌کنند. اکنون محققان موسسه فناوری ماساچوست (MIT) و دانشگاه پوردو (Purdue) روشی برای غلبه بر این مشکل پیدا کرده‌اند.

نتایج این تحقیق جدید در مجله Nature Nanotechnology چاپ شده است.

نکته کلیدی ایجاد یک پروسه دو مرحله‌ای است. مرحله اول شامل یک رشته فلزی گرم‌شده متداول است، اما بجای اینکه اجازه دهند گرمای ایجاد شده به صورت تابش مادون قرمز هدر رود، ساختار ثانویه‌ای رشته را احاطه می‌کند و این تابش را دریافت و به خود رشته منعکس می‌کند تا دوباره به صورت نور نشر یابد. این ساختارها (فرمی از یک بلور فوتونیک)، از عناصر بسیار فراوان و با استفاده از فناوری متداول ساخته شده‌اند.

در مرحله دوم یک تفاوت عمده در تبدیل الکتریسیته به نور وجود دارد. یکی از پارامترهای منبع نور که به آن، کارایی لومینسنس گفته می‌شود، در این مرحله مورد استفاده قرار می‌گیرد. این پارامتر مسئول عکس‌العمل چشم انسان است. کارایی لومینسنس لامپ‌های حبابی سنتی بین دو و سه درصد است، این عدد برای لامپ‌‌های فلورسنتی (شامل CFLs) و لامپ‌های LED به ترتیب بین 7-15 و 5-20درصد است. جالب توجه است که کارایی لومینسنس برای لامپ‌های حبابی دو مرحله‌ای تا 40 درصد می‌رسد. اگرچه اولین نمونه‌های ساخته شده از این لامپ‌ها به این میزان کارایی لومینسنس دست‌نیافته‌لند، اما همین لامپ‌های اولیه میزان 6/6 درصد کارایی لومینسنس را نشان می‌دهند که سه برابر کارایی لامپ‌های سنتی و قابل مقایسه با LEDها و CFLها هستند.

به دلیل اینکه، این فناوری طول موج‌های انرژی ناخواسته و بدون استفاده را جذب می‌کند و به نور مرئی تبدیل می‌کند، محققان آنرا "بازیافت نور" نامیده‌اند.

نکته کلیدی برای موفقیت این تیم تحقیقاتی، طراحی یک بلور فوتونیک بود که با محدوده وسیعی از طول‌موج‌ها و زاویه‌ها کار می‌کند. بلور فوتونیک از لایه‌های نازک قرار گرفته روی بستر ساخته شده است. ایلیچ می‌گوید: «هنگامی که لایه‌ها را با ضخامت و ترتیب درست قرار می‌دهید، شما می‌توانید برهمکنش‌های مواد با نور را تنظیم کنید.»

در این سیستم، نور با طول‌موج مطلوب از مواد و از حباب عبور می‌کند اما طول‌موج‌های مادون قرمز بعد از برخورد به بلور به سمت رشته انعکاس می‌یابند و سبب گرم‌تر شدن رشته و تولید نور بیشتر می‌شوند. از آنجایی که فقط نور مرئی از مواد عبور می‌کند، در نهایت تمام حرارت ایجاد شده به نور مرئی تبدیل می‌شود.

علاوه بر لامپ‌های حبابی این فناوری می‌تواند کاربردهای گسترده‌ای همچون ابزارهای دمایی-فوتوولتایی داشته باشد. در یک دستگاه دمایی-فوتوولتایی، دما از یک منبع خارجی ( شیمیایی، خورشیدی و غیره) سبب تابش مواد می‌شود و نور نشر شده توسط یک جاذب فوتوولتایی به الکتریسیته تبدیل می‌شود. توانایی کنترل نشرهای دمایی بسیار مهم است.

منبع : http://news.mit.edu/2016/nanophotonic-incandescent-light-bulbs-0111

نظر