Вчені заново перевинайшли лампу розжарювання (фото)

Велика група вчених-матеріалознавців та інженерів з Китаю вирішила по-новому поглянути на звичні лампи розжарювання. Завдяки використанню нових матеріалів їм вдалося винайти лампочку та створити свій «пристрій освітлення розжарювання з рециркуляцією фотонів» зі збільшеною енергоефективністю та терміном служби. Отримані пристрої перевершують за цими властивостями світлодіодні лампи, зберігаючи при цьому традиційне комфортне для ока освітлення ламп розжарювання.

Загалом на освітлення припадає приблизно 20% світового споживання електроенергії та понад 10% викидів вуглецю. З цим пов'язане загальне прагнення до підвищення енергоефективності систем освітлення та переходу від традиційних ламп розжарювання до більш ефективних (більш ніж у сім разів) та довговічних (більш ніж у 10 разів) систем освітлення на основі лазерних та світлодіодів. Вони працюють за рахунок принципу електролюмінесценції - випромінювання фотонів матеріалом під час проходження через нього електричного струму.

Незважаючи на зручність, перехід на нові системи освітлення не пройшов безболісно: світлодіодні лампи не забезпечують такої ж високої точності кольору, як лампи розжарювання. Крім того, для розширення смуги випромінювання у видимому діапазоні у світлодіодах використовуються спеціальні фосфоресціюючі понижуючі перетворювачі. Це призводить до додаткового виділення тепла і вводить компроміс між ефективністю і точністю передачі кольору, і вибір часто не на стороні останнього.

Лампи розжарювання у свою чергу мають безперервний повний спектр у видимому діапазоні, забезпечуючи комфортне для людини освітлення. Тому вчені з Китаю запропонували та експериментально реалізували новий пристрій, що використовує все той же принцип розжарювання матеріалу електричним струмом для випромінювання фотонів, що і традиційні лампочки. Свою розробку автори назвали «пристрій освітлення розжарювання з рециркуляцією фотонів» (PRILD), детальний опис якого наводять у статті, опублікованій у журналі Science Advances.


(A) Схема пристрою PRILD; (B) Схема ключових компонентів PRILD; (C) Експериментально виміряна відбивна здатність керамічного корундового резонатора; (D) Експериментально виміряна випромінювальна здатність білого випромінювача; (E) Експериментально виміряна випромінювальна здатність чорного емітера; (F) Бажані оптичні властивості ідеального кварцового вікна: високий коефіцієнт пропускання у видимому діапазоні та високий коефіцієнт відображення в інфрачервоному діапазоні. Також показано спектри фотопічної функції світності (крива чутливості людського ока) та інтенсивності випромінювання абсолютно чорного тіла при 3000 К.

Насамперед вчені замінили центральну частину лампи — нитку розжарення. Замість стандартної вольфрамової нитки автори запропонували використовувати власну розробку — термоемітер Янус (Janus), двошарову смугу з вуглецевих нанотрубок (чорний випромінювач) і гексагонального нітриду бору (білий випромінювач). Далі вони замінили скляну колбу з інертним газом на керамічний корундовий резонатор. Під чорним випромінювачем у вирізі резонатора розташоване кварцове вікно зі спеціальним фільтром, що пропускає видиме і відбиває інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання.

Згадана в назві пристрою схема рециркуляції фотонів працює в такий спосіб. Білий випромінювач відсікає потік енергії всередину пристрою через низьку випромінювальну здатність у видимому і ближньому інфрачервоному діапазонах і разом з резонатором, що добре відображає широкий спектр фотонів, утворює внутрішнє коло рециркуляції фотонів, пригнічуючи втрати на розсіювання енергії у порожнині пристрою. Виготовлений із вуглецевих нанотрубок чорний емітер має коефіцієнт випромінювання, близький до одиниці, у видимому та інфрачервоному діапазонах.

І, нарешті, кварцове вікно пропускає лише повний видимий спектр, відбиваючи ультрафіолетове та інфрачервоне випромінювання назад у резонатор, яке потім поглинається чорним випромінювачем. Спроектований і виготовлений пристрій має ККД більше 25%, ефективність приблизно в півтора рази вище, а термін служби більш ніж у три рази, ніж у світлодіодних ламп. При цьому нові пристрої розжарювання зберігають високу точність перенесення кольорів і комфортне для людського ока світіння, що і вже застарілі лампи розжарювання.

---

© за матеріалами