Фотонные кристаллы готовят очередной переворот

Новый высокотемпературный фотонный кристалл однажды сможет сполна обеспечить энергией всё сущее — от смартфонов до космических кораблей.

Команда исследователей из Массачусетского технологического института (США) разработала метод получения высокотемпературной версии такого материала, как фотонный кристалл. В качестве рабочего вещества использовались металлы тантал и вольфрам. Материал, способный работать при температурах до 1 200 ˚С, причём практически от любого источника тепла, мог бы найти применение в самом широком спектре приложений. Это и питание мобильной электроники, и энергия для кораблей, путешествующих в глубоком космосе, но ещё и новый вид инфракрасных излучателей, которые пригодятся в качестве химических детекторов или сенсоров.

В сравнении с предыдущими попытками получения высотемпературных фотонных кристаллов (ФК) эта — самая-самая. По словам учёных, они производят фотонный материал проще, надёжнее и с высоким выходом. Важно и то, что, ввиду готовности промоборудования, способ не разорит массовое производство. Технология может использовать методы микрообработки и существующую технику по производству компьютерных чипов.

Структура вольфрамового фотонного кристалла (микрофото Y. X. Yeng / MIT).

Как известно, у природы есть свои ФК; к ним, например, относятся опалы, радужные цвета которых обусловлены слоистой структурой, имеющей масштаб, сравнимый с длинами волн видимого света. А вот учёные из MIT, опираясь на наноинжиниринг, взялись за кристаллы для инфракрасной области. Все ФК имеют один и тот же мотив в кристаллических решетках, где пустоты одного слоя перекрываются сверху и снизу материалом соседних, что обеспечивает возможность селективно «фильтровать» длины волн, поглощая одни и пропуская другие.

ФК, способные действовать при очень высоких температурах, могли бы пригодиться в таких областях, как солнечно-тепловая и солнечно-химическая конверсия, приборы и движители на радиоизотопах, генераторы на углеводородах, и, конечно же, в качестве компонентов систем по извлечению энергии из тепла, производимого электростанциями и заводами. Но, увы, на пути к созданию таких материалов всегда было слишком много препятствий. Высокая температура может приводить к испарению кристалла, диффузии, коррозии, растрескиванию, плавлению или быстрым химическим реакциям в его наноструктурах. Чтобы одолеть все эти проблемы, исследователи начали с компьютерного моделирования, дабы теоретически рассчитать геометрию будущего материала, которая позволила бы избежать повреждений, связанных с нагревом кристалла. В качестве рабочего вещества был выбран вольфрам высокой чистоты.

Исследование вызвало особое внимание НАСА — благодаря реальной возможности обеспечения энергией экспедиций в глубокий космос, где нельзя использовать Солнце. Такие миссии должны оснащаться тепловыми генераторами на ядерном топливе (ничего другого — столь же мощного, долгоиграющего и компактного — у человечества пока нет). Например, новый марсоход Curiosity, что прибудет на Марс этим летом, как раз использует радиоизотопную термоэлектрическую систему, а потому сможет работать несколько лет (в отличие от аналогов на солнечных батареях, жизнь которых замирает с наступлением марсианской зимы).

Если коротко и доходчиво, то вот как это выглядит. ФК, нагреваясь, поглощает тепло, а затем, проведя внутреннюю «фильтрацию», излучает на фотогальванические ячейки специально подобранной солнечной батареи именно те длины волн, которые батарея преобразует в электричество с максимальной эффективностью. В дополнение к производству энергии тот же ФК может использоваться именно для получения инфракрасного света, причём очень узкого спектра. Это способно привести к появлению высокоточных методов спектроскопического анализа материалов, а также к созданию чувствительных химических детекторов.

Разумеется, предсказать, когда та или иная разработка воплотится в коммерческих продуктах, невозможно, но, по словам авторов, это может случиться уже в ближайшие два года. Однако наиболее вероятный срок — пять лет.

Более подробно метод и характеристики получаемых материалов представлены в свежем выпуске журнала Proceedings of the National Academy of Science.

Подготовлено по материалам MIT news.

Каждый день слушайте итоговый подкаст Свободного Радио «Компьюлента»!

blog comments powered by Disqus