De steeds nederiger wordende koolstofnanobuis is misschien wel het apparaat om zonnepanelen - en al het andere dat energie verliest door warmte - veel efficiënter te maken.

Wetenschappers van Rice University ontwerpen arrays van uitgelijnde enkelwandige koolstofnanobuizen om midden-infrarode straling (ook bekend als warmte) te kanaliseren en de efficiëntie van zonne-energiesystemen aanzienlijk te verhogen.

Gururaj Naik en Junichiro Kono van Rice's Brown School of Engineering introduceerden hun technologie in ACS Fotonica .

Hun uitvinding is een hyperbolische thermische emitter die intense hitte kan absorberen die anders in de atmosfeer zou worden gespuwd, knijp het in een smalle bandbreedte en zend het uit als licht dat kan worden omgezet in elektriciteit.

De ontdekking berust op een andere door Kono's groep in 2016 toen het een eenvoudige methode vond om zeer uitgelijnde, wafer-schaal films van dicht opeengepakte nanobuisjes.

Gesprekken met Naik, die in 2016 bij Rice kwam, leidde het paar om te zien of de films konden worden gebruikt om "thermische fotonen" te sturen.

"Thermische fotonen zijn gewoon fotonen die worden uitgezonden door een heet lichaam, "Zei Kono. "Als je naar iets heets kijkt met een infraroodcamera, je ziet het gloeien. De camera legt deze thermisch geëxciteerde fotonen vast."

Infraroodstraling is een bestanddeel van zonlicht dat warmte afgeeft aan de planeet, maar het is slechts een klein deel van het elektromagnetische spectrum. "Elk heet oppervlak zendt licht uit als warmtestraling, " zei Naik. "Het probleem is dat thermische straling breedband is, terwijl de omzetting van licht in elektriciteit alleen efficiënt is als de emissie zich in een smalle band bevindt.

"De uitdaging was om breedbandfotonen in een smalle band te persen, " hij zei.

De nanobuisfilms boden de mogelijkheid om midden-infraroodfotonen te isoleren die anders verloren zouden gaan. "Dat is de motivatie, " Zei Naik. "Een studie door (co-hoofdauteur en Rice afgestudeerde student) Chloe Doiron vond dat ongeveer 20% van ons industrieel energieverbruik afvalwarmte is. Dat is ongeveer drie jaar elektriciteit alleen voor de staat Texas. Dat is veel energie die wordt verspild.

"De meest efficiënte manier om warmte nu in elektriciteit om te zetten, is door turbines te gebruiken, en stoom of een andere vloeistof om ze aan te drijven, " zei hij. "Ze kunnen je een conversie-efficiëntie van bijna 50% geven. Niets anders brengt ons daar dichtbij, maar die systemen zijn niet eenvoudig te implementeren." Naik en zijn collega's willen de taak vereenvoudigen met een compact systeem zonder bewegende delen.

De uitgelijnde nanobuisfilms zijn leidingen die afvalwarmte absorberen en omzetten in fotonen met een smalle bandbreedte. Omdat elektronen in nanobuisjes maar in één richting kunnen reizen, de uitgelijnde films zijn in die richting metaalachtig terwijl ze in de loodrechte richting isoleren, een effect dat Naik hyperbolische dispersie noemde. Thermische fotonen kunnen de film vanuit elke richting raken, maar kan slechts via één vertrekken.

"In plaats van van warmte rechtstreeks naar elektriciteit te gaan, we gaan van warmte naar licht naar elektriciteit, "Zei Naik. "Het lijkt erop dat twee fasen efficiënter zijn dan drie, maar hier, dat is niet het geval."

Naik zei dat het toevoegen van de emitters aan standaard zonnecellen hun efficiëntie zou kunnen verhogen vanaf de huidige piek van ongeveer 22%. "Door alle verspilde thermische energie in een klein spectraal gebied te persen, we kunnen het heel efficiënt omzetten in elektriciteit, " zei hij. "De theoretische voorspelling is dat we 80% efficiëntie kunnen halen."

Nanobuisfilms zijn geschikt voor deze taak omdat ze bestand zijn tegen temperaturen tot wel 1, 700 graden Celsius (3, 092 graden Fahrenheit). Het team van Naik bouwde proof-of-concept-apparaten waarmee ze konden werken bij temperaturen tot 700 C (1, 292 F) en bevestig hun smalbanduitgang. Om ze te maken, het team patroonde arrays van holtes op submicronschaal in de films van chipformaat.

"Er is een reeks van dergelijke resonatoren, en elk van hen zendt thermische fotonen uit in dit smalle spectrale venster, "Zei Naik. "We streven ernaar om ze te verzamelen met behulp van een fotovoltaïsche cel en deze om te zetten in energie, en laten zien dat we het met een hoge efficiëntie kunnen doen."