Tradičné žiarovky sa vrátia do hry. Vďaka nanofotonike

Ak ste sa s tradičnými žiarovkami a ich teplým žltým svetlom už pomaly lúčili, možno boli vaše obavy predčasné. Jasné, stále sa dajú (za podstatne vyššie sumy) kúpiť halogénové žiarovky s vyššou účinnosťou, ale aj tie chcú horliví euroúradníci postupne vytlačiť z trhu. Dôvodom sú energetické úspory.

Svietiť by sme v budúcnosti mali pomocou kompaktných žiariviek a LED žiaroviek, pokým neprídu nové zdokonalené zdroje svetla, napríklad OLED panely.  Nové výskumy ale naznačujú možnosť reinkarnácie Edisonovej žiarovky. Nebude to už síce zďaleka tá technológia, ktorú si dal T. A. Edison patentovať v roku 1878, ale zdroj svetla – rozžeravené kovové vlákno – bude rovnaký.

Klasické žiarovky sú stále veľmi obľúbené, pretože pri farebnej teplote okolo 2700 Kelvinov produkujú široké a spojité svetelné spektrum, príjemné pre oči. Ale tieto žiarovky vždy trpeli veľkým nedostatkom, keďže viac ako 95 percent dodanej energie menia na odpadové teplo a majú preto nízku účinnosť. Vedci z MIT a Purdue University však našli spôsob, ako to zmeniť.

Recykláciou svetla k vyššej účinnosti

Nový koncept žiarovky spočíva v dvojfázovom procese. V prvej fáze sa vytvorí svetlo a teplo žeravením vlákna, tak ako v klasických žiarovkách. Infračervené žiarenie, ktoré reprezentuje stratové teplo sa však v druhej fáze odráža v sekundárnych štruktúrach a vracia sa späť k vláknu. Tu je pohltené a opäť vyžiarené ako viditeľné svetlo. Tieto štruktúry sú vyrobené z fotonických kryštálov z prvkov, ktoré sa hojne vyskytujú v zemskej kôre. Presné zloženie týchto kryštálov správa uverejnená v magazíne MIT News nešpecifikuje, ale malo by ísť o oxidy kremíka a tantalu (SiO₂ a Ta₂O₅).

Jedna z prvých Edisonových žiaroviek.

Dvojfázový proces dramaticky zlepšuje účinnosť svetelného zdroja. Bežné žiarovky majú účinnosť len 2-3 percentá, halogénové asi dvojnásobok, žiarivky majú typickú účinnosť 7 až 15% a LED žiarovky, ktoré sú favoritmi v účinnosti, dosahujú v optimálnom prípade až 20 percentnú efektivitu. Podľa výskumníkov majú nové žiarovky s recykláciou svetla teoretický potenciál dosiahnuť účinnosť až 40 percent.

Od tejto méty sme zatiaľ dosť ďaleko, keďže prototyp dosahuje účinnosť asi 6,6%. Ale aj to je trojnásobok, oproti klasickej žiarovke a blíži sa k účinnosti kompaktných žiariviek, alebo „horším LED“ žiarovkám.

Nádej aj pre fotovoltiku

Jedným z kľúčových faktorov novej technológie sú fotonické kryštály, ktoré pracujú vo veľmi širokom rozmedzí vlnových dĺžok a uhlov. Fotonické kryštály sú vyrobené ako tenké vrstvy, nanesené na substráte. Po navŕšení vrstiev tých správnych hrúbok a sekvencií dokážu vedci efektívne vyladiť interakcie materiálu so svetlom. Vlnové dĺžky viditeľného svetla potom môžu prejsť priamo cez materiál a banku žiarovky von, ale infračervené vlnové dĺžky sa odrážajú ako od zrkadla. Zvyšujú tak teplotu vlákna, ktoré má tvar radiátora a túto odrazenú energiu mení na ďalšie svetlo.

Podľa profesora Marina Soljačića z MIT, ktorý stál aj pri vzniku bezdrôtových prenosov energie cez magnetickú rezonanciu (známa WiTricity), má táto technológia omnoho širší potenciál, než sú len inovované žiarovky.

Ďalšou zaujímavou doménou môže byť termo-fotovoltika. V termo-fotovoltickom zariadení sa teplo z vonkajšieho zdroja (chemického, solárneho, atď.) mení podstatnou mierou na svetlo, ktoré je premenené na elektrinu pomocou fotovoltického článku. Pre dosiahnutie efektívnych materiálov bude potrebný síce ďalší vývoj, ale princíp recyklácie elektromagnetického žiarenia môže pomôcť pri zlepšení parametrov mnohých existujúcich zariadení. Výsledky výskumu publikoval prestížny magazín Nature.