Une ampoule à incandescence nanophotonique démontre la capacité d'adapter la lumière rayonnée par un objet chaud. Crédit :MIT
Ampoules traditionnelles, pensaient être en bonne voie vers l'oubli, peut bénéficier d'un sursis grâce à une rupture technologique.
L'éclairage incandescent et sa chaleur, La lueur familière a bien plus d'un siècle, mais survit pratiquement inchangée dans les maisons du monde entier. ça change vite, cependant, alors que les réglementations visant à améliorer l'efficacité énergétique éliminent progressivement les anciennes ampoules au profit d'ampoules fluorescentes compactes (LFC) plus efficaces et de nouvelles ampoules à diodes électroluminescentes (DEL).
Ampoules incandescentes, développé commercialement par Thomas Edison (et toujours utilisé par les dessinateurs comme symbole d'une intuition inventive), travailler en chauffant un fil de tungstène fin à des températures d'environ 2, 700 degrés Celsius. Ce fil chaud émet ce qu'on appelle le rayonnement du corps noir, un spectre de lumière très large qui offre un rendu chaleureux et un rendu fidèle de toutes les couleurs d'une scène.
Mais ces ampoules ont toujours souffert d'un problème majeur :plus de 95 % de l'énergie qui les compose est gaspillée, la plupart sous forme de chaleur. C'est pourquoi pays après pays ont interdit ou élimine progressivement la technologie inefficace. Maintenant, des chercheurs du MIT et de l'Université Purdue ont peut-être trouvé un moyen de changer tout cela.
Les nouveaux résultats sont rapportés dans le journal Nature Nanotechnologie par trois professeurs du MIT—Marin Soljačić, professeur de physique; Jean Joannopoulos, le professeur de physique Francis Wright Davis; et Gang Chen, le professeur Carl Richard Soderberg en ingénierie électrique, ainsi que le chercheur scientifique du MIT Ivan Celanovic, post-doctorant Ognjen Ilic, et professeur de physique Purdue (et ancien élève du MIT) Peter Bermel PhD '07.
Un schéma de principe d'un nouveau type de filtre qui pourrait raviver l'éclairage incandescent et rendre possible une production d'électricité solaire plus efficace. Le schéma montre la technologie vue de face et de côté. Crédit :Purdue University-MIT Image/Peter Bermel
Recyclage léger
La clé est de créer un processus en deux étapes, rapportent les chercheurs. La première étape implique un filament métallique chauffé conventionnel, avec toutes les pertes qui en découlent. Mais au lieu de laisser la chaleur perdue se dissiper sous forme de rayonnement infrarouge, les structures secondaires entourant le filament capturent ce rayonnement et le renvoient au filament pour être réabsorbé et réémis sous forme de lumière visible. Ces structures, une forme de cristal photonique, sont constitués d'éléments abondants sur Terre et peuvent être fabriqués à l'aide de la technologie conventionnelle de dépôt de matériaux.
Cette deuxième étape fait une différence considérable dans l'efficacité avec laquelle le système convertit la lumière en électricité. L'efficacité des lampes à incandescence conventionnelles est comprise entre 2 et 3 pour cent, alors que celui des fluorescents (y compris les LFC) se situe actuellement entre 7 et 13 pour cent, et celle des LED entre 5 et 13%. En revanche, les nouvelles lampes à incandescence à deux étages pourraient atteindre des rendements allant jusqu'à 40 %, dit l'équipe.
Les premières unités de preuve de concept réalisées par l'équipe n'atteignent pas encore ce niveau, atteindre environ 6,6 pour cent d'efficacité. Mais même ce résultat préliminaire correspond à l'efficacité de certaines LFC et LED d'aujourd'hui, soulignent-ils. Et c'est déjà une triple amélioration par rapport à l'efficacité des lampes à incandescence d'aujourd'hui.
L'équipe qualifie son approche de « recyclage léger, " dit Ilic, puisque leur matériel absorbe les indésirables, longueurs d'onde d'énergie inutiles et les convertit en longueurs d'onde de lumière visible souhaitées. "Il recycle l'énergie qui serait autrement gaspillée, " dit Soljačić.
Ampoules et au-delà
L'une des clés de leur succès a été de concevoir un cristal photonique qui fonctionne pour une très large gamme de longueurs d'onde et d'angles. Le cristal photonique lui-même est constitué d'un empilement de couches minces, déposé sur un substrat. « Quand vous assemblez des couches, avec les bonnes épaisseurs et séquences, " Ilic explique, vous pouvez obtenir un réglage très efficace de la façon dont le matériau interagit avec la lumière. Dans leur système, les longueurs d'onde visibles souhaitées traversent le matériau et sortent de l'ampoule, mais les longueurs d'onde infrarouges sont réfléchies comme si elles provenaient d'un miroir. Ils retournent ensuite au filament, en ajoutant plus de chaleur qui est ensuite convertie en plus de lumière. Puisque seul le visible sort, la chaleur ne cesse de rebondir vers le filament jusqu'à ce qu'elle se transforme finalement en lumière visible.
La technologie impliquée a un potentiel pour de nombreuses autres applications en plus des ampoules, dit Soljačić. La même approche pourrait "avoir des implications dramatiques" pour la performance des systèmes de conversion d'énergie tels que la thermo-photovoltaïque. Dans un dispositif thermo-photovoltaïque, chaleur d'une source externe (chimique, solaire, etc.) fait briller une matière, l'amenant à émettre de la lumière qui est convertie en électricité par un absorbeur photovoltaïque.
"Les LED sont de grandes choses, et les gens devraient les acheter, " dit Soljačić. "Mais comprendre ces propriétés de base" sur la façon dont la lumière, Chauffer, et la matière interagissent et comment l'énergie de la lumière peut être exploitée plus efficacement « est très importante pour une grande variété de choses ».
Il ajoute que "la capacité à contrôler les émissions thermiques est très importante. C'est la vraie contribution de ce travail." Quant à savoir quelles autres applications pratiques sont les plus susceptibles d'utiliser cette nouvelle technologie de base, il dit, "il est trop tôt pour le dire."
