Фотонные кристаллы обеспечат переворот в энергетике

В качестве рабочего вещества ученые использовали металлы тантал и вольфрам. По их словам, в сравнении с предыдущими попытками получения высотемпературных фотонных кристаллов, они произвели фотонный материал проще, надёжнее и с более высоким выходом. Кроме того, технология может использовать методы микрообработки и существующую технику по производству компьютерных чипов.

В природе есть свои фотонные кристаллы. К ним, например, относятся опалы, радужные цвета которых обусловлены слоистой структурой, имеющей масштаб, сравнимый с длинами волн видимого света. В свою очередь, учёные из MIT занялись кристаллами 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, могут быть полезны в таких областях, как солнечно-тепловая и солнечно-химическая конверсия, приборы и движители на радиоизотопах, генераторы на углеводородах, и в качестве компонентов систем по извлечению энергии из тепла, производимого электростанциями и заводами.

Нагреваясь, фотонные кристаллы поглощают 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.

Исследование заинтересовало NASA благодаря реальной возможности обеспечения энергией экспедиций в глубокий космос, где нельзя использовать Солнце. Такие миссии должны оснащаться тепловыми генераторами на ядерном топливе. Например, новый марсоход Curiosity, который прибудет на Марс этим летом, как раз использует радиоизотопную термоэлектрическую систему, а потому сможет работать несколько лет (в отличие от аналогов на солнечных батареях, не способных функционировать с наступлением марсианской зимы).

Предсказать, когда разработка воплотится в коммерческих продуктах, невозможно, но, по словам авторов, это может случиться уже в ближайшие два года, но наиболее вероятный срок — пять лет, пишет MIT news.

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