la luz de reciclaje

Cómo fotónica pueden formar de nuevo el espectro de la luz, y rehabilitar bombilla de Edison en el camino

Massachusetts Institute of Technology, Instituto de Nanotecnologías Soldado

IMAGEN: Una bombilla de luz incandescente nanofotónicos demuestra la capacidad de adaptar la luz radiada por una object.view caliente más

Crédito: Ognjen Ilic

Cambridge, Mass. --- La humanidad comenzó reciclaje relativamente temprano en su evolución: hay pruebas de que el reciclaje de basura estaba teniendo lugar ya en el 500 antes de Cristo. ¿Qué hay de reciclaje de la luz? Consideremos las bombillas: hace más de ciento treinta años, Thomas Edison patentó la primera bombilla incandescente comercialmente viable, de modo que "nadie más que el extravagante" quemaría velas de sebo ", allanando el camino durante más de un siglo de iluminación incandescente . De hecho, la emergencia de la iluminación eléctrica fue el principal factor motivador para el despliegue de electricidad en todos los hogares del mundo. La bombilla incandescente es un ejemplo de un emisor térmico de alta temperatura. Es muy útil, pero sólo una pequeña fracción de la luz emitida (y por lo tanto la energía) se utiliza: la mayor parte de la luz se emite en el infrarrojo, invisible para el ojo humano, y en este contexto desperdiciado.

Un equipo de investigadores del MIT describe otra manera de reciclar la luz emitida en longitudes de onda infrarrojas no deseadas mientras que optimiza la emisión en las longitudes de onda visibles útiles en un estudio publicado en la nanotecnología de la naturaleza el 11 de enero de 2016 (en línea). El trabajo fue co-escrito por científicos del MIT: el postdoc Ognjen Ilic, el investigador principal Ivan Celanovic, los profesores Gang Chen, John Joannopoulos, Peter Bermel (ahora en Purdue) y Marin Soljacic. Si bien como una prueba de concepto, el grupo de investigación construyó una bombilla incandescente de mayor eficiencia energética, el mismo enfoque también podría ser utilizado para mejorar el rendimiento de otros emisores térmicos térmicos, incluidos los dispositivos termo-fotovoltaicos.

"Para un emisor térmico a temperaturas moderadas usualmente nano-modela su superficie para alterar la emisión", dice Ilic, el principal autor del estudio. "A altas temperaturas" - un filamento de bombilla alcanza 3000K! - "tales nanoestructuras se deterioran y es imposible alterar el espectro de emisión al tener una nanoestructura directamente sobre la superficie del emisor". El equipo resolvió el problema rodeando el objeto caliente con estructuras nanophotónicas especiales que filtran espectralmente la luz emitida, lo que significa que permiten que la luz se refleje o pase a través de su color (es decir, su longitud de onda). Debido a que los filtros no están en contacto físico directo con el emisor, las temperaturas pueden ser muy altas.

Para mostrar esta idea, el equipo escogió uno de los más altos emisores térmicos de temperatura disponibles - una bombilla incandescente. Los autores diseñaron nanofiltros para reciclar la luz infrarroja, permitiendo a la luz visible pasar. "El avance clave fue el diseño de una estructura fotónica que transmita la luz visible y refleja la luz infrarroja para una amplia gama de ángulos", explica Ilic. "Los filtros fotónicos convencionales usualmente operan para un solo ángulo de incidencia. El reto para nosotros era extender las propiedades ópticas deseadas en todas las direcciones ", una hazaña que los autores lograron usando técnicas especiales de optimización numérica.

Sin embargo, para que este esquema funcione, los autores tuvieron que rediseñar el filamento incandescente desde cero. "En una bombilla regular, el filamento es un pedazo largo y rizado de alambre de tungsteno. Aquí, el filamento es láser-mecanizado de una hoja plana de tungsteno: es completamente plano ", dice Bermel. Un filamento plano tiene un área grande, y por lo tanto es muy eficiente en la reabsorción de la luz que fue reflejada por el filtro. Al describir cómo el nuevo dispositivo difiere de los conceptos previamente sugeridos, Soljacic, el líder del proyecto, enfatiza que "es la combinación de las propiedades excepcionales del filtro y la forma del filamento que permitió el reciclaje sustancial de la luz no deseada irradiada".

En el nuevo concepto de prototipo de bombilla construido por los autores, la eficiencia se aproxima a algunas bombillas fluorescentes y LED. Sin embargo, el modelo teórico predice mucho margen de mejora. "Este dispositivo experimental es una prueba de concepto, en el extremo inferior del rendimiento que podría ser alcanzado en última instancia por este enfoque", argumenta Celanovic. Hay otras ventajas de este enfoque: "Una característica importante es que nuestro dispositivo demostrado alcanza una representación casi ideal de los colores", señala Ilic, refiriéndose al requisito de fuentes de luz para reproducir fielmente los colores circundantes. Esa es precisamente la razón por la que las luces incandescentes permanecieron dominantes durante tanto tiempo: su luz cálida ha permanecido preferible a la fluorescente fluorescente monótona durante décadas.

Algunas cuestiones prácticas deben abordarse antes de que esta tecnología pueda ser ampliamente adoptada. "Trabajaremos en estrecha colaboración con nuestros colegas de ingeniería mecánica en MIT para tratar de abordar los problemas de estabilidad térmica y larga vida", dice Soljac & # 769 ;. Los autores están particularmente entusiasmados con el potencial de producir estos dispositivos a bajo costo. "Los materiales que necesitamos son abundantes y baratos", observa Joannopoulos, "y los propios filtros - que consisten en pilas de materiales comúnmente depositados - son susceptibles de depósito a gran escala".

Chen comenta además: "El potencial de iluminación de esta tecnología es emocionante, pero el mismo enfoque también podría ser utilizado para mejorar el rendimiento de los esquemas de conversión de energía como la termo-fotovoltaica". En un dispositivo termo-fotovoltaico, el calor externo hace que el material brille, emitiendo luz que se convierte en una corriente eléctrica por un elemento fotovoltaico de absorción.

El último punto capta la motivación principal detrás del trabajo. "La luz irradiada de un objeto caliente puede ser muy útil, ya sea que el objeto sea un filamento incandescente o el Sol", dice Ilic. En su esencia, este trabajo trata de reciclar la luz térmica para una aplicación específica; "Un filamento de 3000 grados es uno de los más calientes y las fuentes más difíciles de trabajar con", continúa Ilic. "Es también lo que lo convierte en una prueba crucial de nuestro enfoque".