Traditionele gloeilampen, dachten goed op weg te zijn naar de vergetelheid, mogelijk uitstel krijgen dankzij een technologische doorbraak.

Gloeilampverlichting en zijn warme, vertrouwde gloed is meer dan een eeuw oud maar overleeft vrijwel onveranderd in huizen over de hele wereld. Dat verandert snel, echter, omdat regelgeving die gericht is op het verbeteren van de energie-efficiëntie, de oude lampen uitfaseert ten gunste van efficiëntere compacte fluorescentielampen (CFL's) en nieuwere light-emitting diode bulbs (LED's).

Gloeilampen, commercieel ontwikkeld door Thomas Edison (en nog steeds gebruikt door cartoonisten als het symbool van inventief inzicht), werk door een dunne wolfraamdraad te verhitten tot temperaturen van ongeveer 2, 700 graden Celsius. Die hete draad zendt zwarte lichaamsstraling uit, een zeer breed lichtspectrum dat zorgt voor een warme uitstraling en een natuurgetrouwe weergave van alle kleuren in een scène.

Maar deze lampen hebben altijd last gehad van één groot probleem:meer dan 95 procent van de energie die erin gaat, wordt verspild, het meeste als warmte. Dat is de reden waarom land na land de inefficiënte technologie heeft verboden of geleidelijk wordt uitgefaseerd. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT en Purdue University hebben misschien een manier gevonden om dat allemaal te veranderen.

De nieuwe bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie door drie MIT-hoogleraren - Marin Soljačić, hoogleraar natuurkunde; Johannes Joannopoulos, de Francis Wright Davis hoogleraar natuurkunde; en Gang Chen, de Carl Richard Soderberg Professor in Power Engineering, evenals MIT-onderzoeker Ivan Celanovic, postdoc Ognjen Ilic, en Purdue hoogleraar natuurkunde (en MIT-alumnus) Peter Bermel PhD '07.

Lichte recycling

De sleutel is om een ​​proces in twee fasen te creëren, melden de onderzoekers. De eerste fase omvat een conventionele verwarmde metalen gloeidraad, met alle bijbehorende verliezen. Maar in plaats van de afvalwarmte te laten verdrijven in de vorm van infraroodstraling, secundaire structuren rond de gloeidraad vangen deze straling op en reflecteren deze terug naar de gloeidraad om opnieuw te worden geabsorbeerd en opnieuw uitgezonden als zichtbaar licht. Deze structuren, een vorm van fotonisch kristal, zijn gemaakt van aarde-overvloedige elementen en kunnen worden gemaakt met behulp van conventionele materiaalafzettingstechnologie.

Die tweede stap maakt een dramatisch verschil in hoe efficiënt het systeem licht omzet in elektriciteit. Het rendement van conventionele gloeilampen ligt tussen de 2 en 3 procent, terwijl die van fluorescentielampen (inclusief spaarlampen) momenteel tussen de 7 en 13 procent ligt, en die van leds tussen 5 en 13 procent. In tegenstelling tot, de nieuwe tweetraps gloeilampen kunnen een efficiëntie bereiken van wel 40 procent, zegt het team.

De eerste proof-of-concept units van het team halen dat niveau nog niet, het bereiken van ongeveer 6,6 procent efficiëntie. Maar zelfs dat voorlopige resultaat komt overeen met de efficiëntie van sommige van de huidige CFL's en LED's, wijzen ze erop. En het is al een drievoudige verbetering ten opzichte van de efficiëntie van de hedendaagse gloeilampen.

Het team verwijst naar hun aanpak als "lichte recycling, " zegt Ilic, omdat hun materiaal het ongewenste opneemt, nutteloze golflengten van energie en zet ze om in de gewenste golflengten van zichtbaar licht. "Het recyclet de energie die anders verspild zou worden, " zegt Soljačić.

Bollen en meer

Een sleutel tot hun succes was het ontwerpen van een fotonisch kristal dat werkt voor een zeer breed scala aan golflengten en hoeken. Het fotonische kristal zelf is gemaakt als een stapel dunne lagen, afgezet op een substraat. "Als je lagen samenvoegt, met de juiste diktes en volgorde, "Ilic legt uit, je kunt een zeer efficiënte afstemming krijgen van hoe het materiaal interageert met licht. In hun systeem de gewenste zichtbare golflengten gaan dwars door het materiaal en uit de lamp, maar de infrarode golflengten worden gereflecteerd als door een spiegel. Ze reizen dan terug naar de gloeidraad, meer warmte toevoegen die vervolgens wordt omgezet in meer licht. Omdat alleen het zichtbare er ooit uitkomt, de warmte blijft gewoon terugkaatsen in de richting van de gloeidraad totdat het uiteindelijk als zichtbaar licht eindigt.

De betrokken technologie heeft potentieel voor vele andere toepassingen naast gloeilampen, zegt Soljačić. Dezelfde benadering zou "dramatische implicaties" kunnen hebben voor de prestaties van energieconversieschema's zoals thermo-fotovoltaïsche energie. In een thermo-fotovoltaïsch apparaat, warmte van een externe bron (chemische, zonne, enz.) laat een stof gloeien, waardoor het licht uitstraalt dat door een fotovoltaïsche absorber wordt omgezet in elektriciteit.

"LED's zijn geweldige dingen, en mensen zouden ze moeten kopen, " zegt Soljačić. "Maar deze basiseigenschappen begrijpen" over de manier waarop licht, warmte, en materie op elkaar inwerken en hoe de energie van het licht efficiënter kan worden benut "is erg belangrijk voor een grote verscheidenheid aan dingen."

Hij voegt eraan toe dat "het vermogen om thermische emissies te beheersen erg belangrijk is. Dat is de echte bijdrage van dit werk." Wat betreft welke andere praktische toepassingen het meest waarschijnlijk gebruik zullen maken van deze fundamentele nieuwe technologie, hij zegt, "het is te vroeg om te zeggen."