Тепло и свет становятся больше в наномасштабе: ученые демонстрируют мощный бесконтактный канал теплопередачи с использованием света с характеристиками, которые могут привести к высокоэффективному производству электроэнергии

«При расстоянии до 40 нанометров мы достигли почти 100-кратного увеличения теплопередачи по сравнению с классическими предсказаниями», — говорит Липсон, профессор электротехники Юджина Хиггинса и профессор прикладной физики. "Это очень интересно, поскольку означает, что теперь свет может стать доминирующим каналом теплопередачи между объектами, которые обычно обмениваются теплом в основном за счет теплопроводности или конвекции. И хотя другие команды ранее демонстрировали теплопередачу с использованием света в наномасштабе, мы первыми достигли характеристик, которые можно было использовать для энергетических приложений, таких как прямое преобразование тепла в электричество с помощью фотоэлектрических элементов."

Все объекты в нашей среде обмениваются теплом с окружающей средой с помощью света. Это включает в себя свет, падающий на нас от солнца, светящийся красный цвет нагревательного элемента внутри наших тостеров или камеры «ночного видения», которые позволяют записывать изображения даже в полной темноте.

Но теплообмен с использованием света обычно очень слаб по сравнению с теплопроводностью (т.е., просто соприкоснув два объекта друг с другом) или конвекцией (я.е., используя горячий воздух). Излучательная теплопередача на наноразмерных расстояниях, хотя и теоретизировалась, была особенно сложной задачей из-за сложности поддержания больших температурных градиентов на расстояниях нанометрового масштаба, избегая при этом других механизмов теплопередачи, таких как теплопроводность.

Команда Липсона смогла поднести объекты с разной температурой очень близко друг к другу — на расстояниях менее 100 нанометров, или 1/1000 диаметра пряди человеческого волоса. Они смогли продемонстрировать радиационный теплообмен в ближней зоне между параллельными нанопучками SiC (карбида кремния) в глубоком субволновом режиме.

Они использовали высокоточную микроэлектромеханическую систему (MEMS) для управления расстоянием между лучами и использовали механическую стабильность нанолучей при высоком растягивающем напряжении, чтобы минимизировать эффекты термического коробления, таким образом сохраняя контроль за разделением в нанометровом масштабе даже при больших тепловых нагрузках. градиенты.
Используя этот подход, команда смогла перенести два параллельных объекта с разной температурой на расстояние до 42 нм, не касаясь друг друга. В этом случае они заметили, что передача тепла между объектами была почти в 100 раз сильнее, чем предсказывается обычными законами теплового излучения (i.е. "излучение черного тела").

Им удалось повторить этот эксперимент при разнице температур до 260 ° C (500 ° F) между двумя объектами. Такая высокая разница температур особенно важна для приложений преобразования энергии, поскольку в этих случаях эффективность преобразования всегда пропорциональна разнице температур между горячими и холодными объектами.
«Важным следствием нашей работы является то, что тепловое излучение теперь может использоваться в качестве доминирующего механизма теплопередачи между объектами при разных температурах», — объясняет Рафаэль Сен-Геле, ведущий автор исследования и научный сотрудник, работающий с Липсоном в Columbia Engineering. "Это означает, что мы можем контролировать тепловой поток с помощью многих тех же методов, которые мы используем для управления светом. Это большое дело, поскольку есть много интересных вещей, которые мы можем сделать со светом, например, преобразовать его в электричество с помощью фотоэлектрических элементов."

Сен-Геле и Линьсяо Чжу, соавторы исследования и кандидат наук в группе Фан в Стэнфорде, отмечают, что подход команды можно расширить до большей эффективной площади, просто расположив несколько нанолучей поверх фотоэлектрической системы. ячейки, например — и индивидуально управляя их смещением вне плоскости с помощью приводов MEMS. В настоящее время исследователи рассматривают возможность применения того же подхода для сверхточного управления смещением, на этот раз с использованием реального фотоэлектрического элемента для выработки электричества непосредственно из тепла.

«Этот очень прочный бесконтактный канал теплопередачи можно использовать для управления температурой хрупких наноустройств, к которым нельзя прикасаться, или для очень эффективного преобразования тепла в электричество путем излучения большого количества тепла от горячего объекта к фотоэлектрическому элементу. ", — добавляет Липсон. «И если мы сможем направить большое количество тепла в виде света от горячего объекта к фотоэлектрическому элементу, мы потенциально сможем создать компактные модули для прямого преобразования тепла в электрическую энергию. Эти модули могут использоваться внутри автомобилей, например, для преобразования отработанного тепла от двигателя внутреннего сгорания обратно в полезную электрическую энергию. Мы также могли бы использовать их в своих домах для выработки электроэнергии из альтернативных источников энергии, таких как биотопливо и накопленная солнечная энергия."

Портал обо всем