Une image au microscope électronique à balayage montre des cavités à l'échelle submicronique modelées dans des films de nanotubes de carbone alignés développés à l'Université Rice. Les cavités piègent les photons thermiques et rétrécissent leur bande passante, en les transformant en lumière qui peut ensuite être recyclée en électricité. Crédit :Naik Lab/Rice University
Le nanotube de carbone, toujours plus humble, n'est peut-être que le dispositif permettant de fabriquer des panneaux solaires - et tout ce qui perd de l'énergie par la chaleur - beaucoup plus efficace.
Les scientifiques de l'Université Rice conçoivent des réseaux de nanotubes de carbone à paroi unique alignés pour canaliser le rayonnement infrarouge moyen (c'est-à-dire la chaleur) et augmenter considérablement l'efficacité des systèmes d'énergie solaire.
Gururaj Naik et Junichiro Kono de la Brown School of Engineering de Rice ont présenté leur technologie en ACS Photonique .
Leur invention est un émetteur thermique hyperbolique qui peut absorber une chaleur intense qui serait autrement rejetée dans l'atmosphère, le presser dans une bande passante étroite et l'émettre sous forme de lumière pouvant être transformée en électricité.
La découverte repose sur une autre par le groupe de Kono en 2016 lorsqu'il a trouvé une méthode simple pour faire hautement aligné, films à l'échelle d'une plaquette de nanotubes étroitement entassés.
Discussions avec Naik, qui a rejoint Rice en 2016, a conduit le couple à voir si les films pouvaient être utilisés pour diriger des "photons thermiques".
"Les photons thermiques ne sont que des photons émis par un corps chaud, " dit Kono. " Si vous regardez quelque chose de chaud avec une caméra infrarouge, vous le voyez briller. La caméra capture ces photons excités thermiquement."
Le rayonnement infrarouge est un composant de la lumière solaire qui fournit de la chaleur à la planète, mais ce n'est qu'une petite partie du spectre électromagnétique. "Toute surface chaude émet de la lumière sous forme de rayonnement thermique, " a déclaré Naik. " Le problème est que le rayonnement thermique est à large bande, tandis que la conversion de la lumière en électricité n'est efficace que si l'émission est dans une bande étroite.
Xinwei Li, étudiant diplômé de l'Université Rice, la gauche, et le chercheur postdoctoral Weilu Gao a utilisé des films de nanotubes de carbone que Gao a aidé à développer pour créer un dispositif permettant de recycler la chaleur résiduelle. Il pourrait finalement améliorer la production des cellules solaires et augmenter l'efficacité de la récupération de la chaleur résiduelle industrielle. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
« Le défi était de comprimer les photons à large bande dans une bande étroite, " il a dit.
Les films de nanotubes ont permis d'isoler les photons infrarouges moyens qui seraient autrement gaspillés. "C'est la motivation, " a déclaré Naik. " Une étude réalisée par (co-auteur principal et étudiante diplômée de Rice) Chloe Doiron a révélé qu'environ 20% de notre consommation d'énergie industrielle est de la chaleur résiduelle. Cela représente environ trois ans d'électricité rien que pour l'État du Texas. C'est beaucoup d'énergie gaspillée.
« Le moyen le plus efficace de transformer la chaleur en électricité est maintenant d'utiliser des turbines, et de la vapeur ou un autre liquide pour les conduire, " at-il dit. " Ils peuvent vous donner près de 50 % d'efficacité de conversion. Rien d'autre ne nous rapproche de ça, mais ces systèmes ne sont pas faciles à mettre en œuvre. » Naik et ses collègues visent à simplifier la tâche avec un système compact qui n'a aucune pièce mobile.
Les films de nanotubes alignés sont des conduits qui absorbent la chaleur perdue et la transforment en photons à bande passante étroite. Parce que les électrons dans les nanotubes ne peuvent voyager que dans une direction, les films alignés sont métalliques dans cette direction tout en isolant dans la direction perpendiculaire, un effet Naik appelé dispersion hyperbolique. Les photons thermiques peuvent frapper le film de n'importe quelle direction, mais ne peut partir que par un.
« Au lieu de passer directement du chauffage à l'électricité, on passe de la chaleur à la lumière à l'électricité, " a déclaré Naik. " Il semble que deux étapes seraient plus efficaces que trois, mais ici, ce n'est pas le cas."
Une simulation de l'Université Rice montre un ensemble de cavités modelées dans un film de nanotubes de carbone alignés. Une fois optimisé, le film absorbe les photons thermiques et émet de la lumière dans une bande passante étroite qui peut être recyclée en électricité. Crédit :Chloé Doiron/Université Rice
Naik a déclaré que l'ajout des émetteurs aux cellules solaires standard pourrait augmenter leur efficacité par rapport au pic actuel d'environ 22%. "En resserrant toute l'énergie thermique gaspillée dans une petite région spectrale, nous pouvons le transformer en électricité très efficacement, " at-il dit. " La prédiction théorique est que nous pouvons obtenir 80% d'efficacité. "
Les films de nanotubes conviennent à la tâche car ils résistent à des températures allant jusqu'à 1, 700 degrés Celsius (3, 092 degrés Fahrenheit). L'équipe de Naik a construit des appareils de validation de principe qui leur ont permis de fonctionner jusqu'à 700 C (1, 292 F) et confirmez leur sortie à bande étroite. Pour les faire, l'équipe a modelé des matrices de cavités à l'échelle submicronique dans les films de la taille d'une puce.
"Il existe une gamme de ces résonateurs, et chacun d'eux émet des photons thermiques dans cette étroite fenêtre spectrale, " a déclaré Naik. "Nous visons à les collecter à l'aide d'une cellule photovoltaïque et à la convertir en énergie, et montrer que nous pouvons le faire avec une grande efficacité."
