Budowanie lepszej żarówki

Żarówki są już zakazane przez wiele krajów, ale plotki o ich śmierci mogą, parafrazując Marka Twaina, być mocno przesadzone. Innowacja z MIT może dać im nowe życie.

Żarówki, jeden z najsłynniejszych wynalazków Thomasa Edisona, to technologia mająca ponad 130 lat. Działają na zasadzie podgrzewania cienkiego drutu do około 2700 °C, co powoduje, że emituje on promieniowanie ciała doskonale czarnego, szerokie spektrum światła, które zapewnia ciepły wygląd i wierne oddanie wszystkich kolorów na scenie. Ale około 95 procent energii zużywanej przez te żarówki jest marnowane, w większości jako ciepło. Nowe badania mogą wreszcie to zmienić.

Ta historia była częścią naszego wydania z marca 2016 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Profesor fizyki Marin Soljacic ’96, PhD ’00, postdoc Ognjen Ilic, PhD ’15, kierownik działu inżynierii mechanicznej Gang Chen i trzech innych opublikowało swoje rozwiązanie na początku tego roku. Kluczem, jak mówią, jest stworzenie procesu dwuetapowego.

Najpierw podgrzewa się konwencjonalne metalowe włókno. Ale ciepło odpadowe nie może jak zwykle rozpraszać się w postaci promieniowania podczerwonego. Zamiast tego drugorzędowe struktury otaczające włókno wychwytują to promieniowanie i odbijają je z powrotem do włókna, które ma zostać ponownie wchłonięte. Struktury te, forma kryształu fotonicznego, są zbudowane z pierwiastków obfitujących w Ziemię i mogą być wykonane przy użyciu konwencjonalnej technologii osadzania materiałów.

Pożądane widzialne długości fal światła przechodzą bezpośrednio przez ten materiał i poza żarówkę, ale fale podczerwone są odbijane jak od lustra. Następnie wędrują z powrotem do żarnika, dodając więcej ciepła, które zostaje zamienione na więcej światła. Ponieważ wydostaje się tylko światło widzialne, ciepło odbija się z powrotem w kierunku włókna, aż w końcu staje się światłem.

Ten drugi krok radykalnie poprawia efektywność konwersji energii elektrycznej na światło. Pomiary wydajności świetlnej, które uwzględniają reakcję ludzkiego oka, wynoszą od 2 do 3 procent w przypadku tradycyjnych żarówek, od 7 do 15 procent w przypadku świetlówek (w tym świetlówek kompaktowych) i od 5 do 15 procent w przypadku większości kompaktowych diod LED. Nowe, dwustopniowe żarówki mogą osiągnąć sprawność nawet 40 procent.

Pierwsze egzemplarze zespołu w wersji „proof-of-concept” osiągają już około 6,6% wydajności świetlnej, co jest wynikiem zbliżonym do wydajności niektórych dzisiejszych świetlówek kompaktowych i kompaktowych diod LED i jest trzykrotnym ulepszeniem w stosunku do dzisiejszych żarówek.

Naukowcy nazywają swoje podejście recyklingiem światła, mówi Ilic, ponieważ ich materiał w efekcie wyławia śmieci — niechciane, bezużyteczne długości fal energii — z kosza na śmieci i przekształca je w przyjemne, użyteczne światło widzialne.

ukryć