Новости промышленности

Какой вы знаете путь прямого преобразования теплоты сгорания топлива в электричество? Без промежуточной механической работы? Наверняка вы скажете – термопары. Однако есть ещё один способ, куда менее известный, но, вероятно, намного более перспективный. Ещё в 1960-х и в 1970-х годах исследователи в разных странах пробовали создать компактные генераторы для космической техники на основе довольно необычного принципа. Тогда что-то не получилось. И ведь, казалось бы, в своей основе идея-то гениально проста. Но для того, чтобы "простота" эта реально заработала, потребовались современные технологии. В наши дни давнюю мысль, но на этот раз применительно к технике земной – к автомобилям, реанимировали физики из Массачусетского технологического института (MIT), а потому пора с ней (мыслью) познакомиться ближе.

Берём сравнительно небольшое количество топлива, сжигаем его равномерно и спокойно, и нагреваем с его помощью тело-излучатель. Что называется "до белого каления". А точнее (как в нынешнем проекте) —- до 1227 градусов по Цельсию. Излучаемый телом очень яркий свет мы направляем на фотодиод – "солнечную батарею", которая и даёт нам ток. И никакого Солнца не нужно. Потому "солнечная" – в кавычках.

Принцип работы термофотоэлектрического генератора (иллюстрация с сайта lees. mit. edu).Чтобы такая система была не просто работоспособной, но ещё и обладала высоким КПД, исследователям MIT пришлось воспользоваться самыми последними достижениями в физике фотонных кристаллов. Тут нужно напомнить, что это такое. Фотонные кристаллы —- это периодические (наподобие слоёного пирога) структуры из различных материалов, слои в которых обладают толщиной, сопоставимой с длиной волны света (к примеру, света видимого).Электронная микрофотография "слоёного пирога" фотонного кристалла, выступающего в данном устройстве в качестве светового фильтра (фото с сайта lees.

mit. edu). Такие периодические структуры обладают необычными оптическими свойствами, отличными от оптических свойств материалов, их составляющих. К примеру, фотонные кристаллы могут пропускать через себя определённые частоты волн (почти без задержки, как необычайно прозрачные тела), но при этом отражать, словно самое лучшее зеркало, другие волны. Вообще, фотонные кристаллы в оптике сравнивают с полупроводниками в мире электроники и полупроводниковыми приборами, на них основанными. Применительно к фотонным кристаллам можно говорить о разрешённых и запрещённых энергетических зонах, наподобие таких зон в полупроводниках. Фотонные кристаллы могут быть световыми "проводниками", "диэлектриками" и "полупроводниками", где вместо тока – фотоны.

Теперь вернёмся к проекту MIT. Сразу видно, что при нагреве обычного тела и при использовании обычной фотоэлектрической панели мы получим невысокую эффективность. И вот как-то профессор Джон Кассакиан (John Kassakian), директор лаборатории электромагнитных и электронных систем MIT (Laboratory for Electromagnetic and Electronic Systems —- LEES), собрал своих коллег и сказал: "А почему бы нам не приспособить для сортировки волн фотонные кристаллы? У них же есть как раз нужные нам свойства!".Ну, возможно, начиналось всё не совсем так. Но результат таков: именно в лаборатории LEES сейчас полным ходом идёт отработка высокоэффективной термофотоэлектрической системы. И уже созданы первые работающие прототипы таких преобразователей. Исследователи решили подобрать подходящий фотонный кристалл в качестве излучателя света. Тут подошёл так называемый двухмерный фотонный кристалл, со структурой поверхности, похожей по виду на пчелиные соты.

Материал – тугоплавкий сплав на основе вольфрама. Расчётная (светло-синий цвет) и измеренная (тёмно-синий) характеристика фильтра. Шкала внизу – длины волн в микронах, шкала слева —- светопропускание (иллюстрация с сайта lees. mit. edu).Соты эти обладают поперечником и глубиной "колодца", сопоставимыми с длиной волны видимого света. Точнее, эти два размера рассчитаны таким образом, что при нагреве тела они поощряют излучение на определённых частотах и подавляют – излучение других волн. А ведь обычное нагретое тело светит более-менее равномерно в широком диапазоне частот, которые (разные частоты) полностью утилизировать было бы затруднительно.

Излучатель этот, к слову, сделан в виде цилиндра. Вокруг него располагается солнечная батарея. Она тоже не вполне привычная. Авторы проекта выполнили её на основе антимонида галлия.

Но главная изюминка проекта – это промежуточный цилиндр, установленный между цилиндром-излучателем и цилиндром —- "солнечной" панелью. Промежуточный цилиндр этот также представляет собой фотонный кристалл, так называемый одномерный. Составлен он из множества чередующихся слоёв кремния (толщиной по 170 нанометров) и диоксида кремния (390 нанометров).Этот фотонный кристалл работает как замечательно точный фильтр: волны с длиной ниже 1,7 микрон (эта величина была определена, исходя из параметров фотоэлектрического преобразователя) он пропускает к батарее, а более длинные волны —- отражает назад, к излучателю. Сотоподобная структура поверхности вольфрамового излучателя – фотонного кристалла.

Справа: сравнение характеристики излучения "просто" вольфрама (синий цвет) и фотонного кристалла на его основе (красный). Шкала внизу – длины волн в микронах, шкала слева – коэффициент излучения (иллюстрации с сайта lees. mit. edu).