Показанный на изображении ниже термический метаматериал способен сделать возможным термофотоэлектрические девайсы, которые генерируют электричество из теплового излучения. Данная технология может быть приспособлена для использования тепла, выделяемого заводами, электростанциями, двигателями машин и выхлопными трубами автомобилей. Таким образом, энергия, которая сейчас теряется, может быть повторно использована человеческой цивилизацией.

Международная исследовательская команда использовала «термический метаматериал» для контроля за выделением излучения от высоких температур, что даст возможность девайсам эффективно «собирать урожай» того тепла, которое выделяют через свои трубы заводы и электростанции.

Результаты проведенного исследования были опубликованы ранее в этом году в журнале Nature Communications. Работа проводилась учеными из США, Германии и Канады.

Примерно 50% или даже 60% энергии, вырабатываемой на получающих энергию из угля или нефти электростанциях, теряется, выделяясь в качестве тепла.

Исследователи показали возможность ограничения выделения теплового излучения в той части спектра, которая наиболее подходит для термофотоэлектрической технологии.

Доцент Университета Пердью Зубин Якоб (Zubin Jacob) отмечает, что подобные устройства требуют тепловых выделений в определенном спектре и в ходе исследования были показаны те свойства материала, которые способны сделать так, чтобы очень горячий предмет выделял излучения только определенных цветов. Основная идея состоит в том, чтобы научиться контролировать процесс выделения тепла при высоких температурах, что никогда не делалось ранее.

Термический метаматериал — нанослои вольфрама и оксида гафния — были использованы для подавления выделения одной части спектра и усиления выделения другой.

Метаматериалы являются композитными решениями, содержащими функции, образцы и элементы, такие как маленькие наноантенны, обеспечивающие не доступный ранее контроль над световым излучением. Разработки метаматериалов велись примерно 15 лет. Для их производства необходима высокая точность, измеряемая в нанометрах.

Возможность управления инфракрасным тепловым излучением при температурах на уровне 1000 °С открывает для исследований новые возможности. Технология, которая использовалась исследователями для подтверждения своих предположений, фундаментально отличается от подходов, применяемых сегодня в термальной инженерии.

Основной принцип работы фотоэлектрической ячейки состоит в том, что полупроводниковый материал подсвечивается светом, заставляя электроны перемещаться с одного энергетического уровня на другой. Электроны в полупроводнике формируют валентную зону при том, что материал остается темным.

Но воздействующий на материал яркий свет заставляет электроны впитывать энергию, собирая ее из зоны высокой энергии, называемой зоной проводимости. Когда электроны перемещаются в зону проводимости, они оставляют после себя «дыры» в валентной зоне. Область между двумя этими зонами, где электроны отсутствуют, называется бандгап.

Необходимо предотвратить выделение тепла ниже бандгапа и усилить тепловыделение выше бандгапа, что и было проделано исследователями. Ими использовался топологический переход, который ранее не применялся для усиления или подавления выделения тепла. Таким образом было повышено выделение тепла в зоне высокой энергии. Это позволило получать выделяемый свет только в энергетическом спектре выше бандгапа.

Исследования, которые могут быть проведены в будущем, станут включать в себя работу над преобразованием излучения от термического метаматериала в электронно-дырочные пары в полупроводниковом материале, что является важнейшим шагом в дальнейшей разработке данной технологии. Термофотоэлектрическия технология может быть готова к коммерциализации в течение семи лет, отмечает Зубин Якоб.