Laser femtosekundowy przekształca strukturę materiału
Słoneczne generatory termoelektryczne (STEG) funkcjonują na zupełnie innej zasadzie niż klasyczne panele. Zamiast bezpośredniej konwersji światła, wykorzystują one różnicę temperatur między gorącą a zimną stroną urządzenia. Podczas gdy typowy panel na dachu osiąga sprawność około 20%, STEG tradycyjnie ledwo przekraczały 1%. Kluczem do poprawy tego wyniku okazała się obróbka laserowa. Za pomocą lasera emitującego niezwykle krótkie, femtosekundowe impulsy światła, naukowcy przekształcili powierzchnię cienkiej płytki wolframowej po stronie gorącej. Powstała struktura pokryta mikroskopijnymi „kolcami” działa jak niemal idealny absorber światła widzialnego, jednocześnie minimalizując emisję ciepła w podczerwieni. Dodatkowo, rozciągnięta nad tą powierzchnią przezroczysta folia tworzy szczelinę powietrzną o grubości 6 mm, która redukuje straty konwekcyjne o ponad 40%. To połączenie daje absorpcję na poziomie 0,9, czyli około trzykrotnie więcej niż w standardowych generatorach z ceramicznym absorberem.
Efektywna praca generatora zależy także od szybkiego odprowadzania ciepła po zimnej stronie. Tutaj również zastosowano technikę laserową, tym razem do przekształcenia folii aluminiowej w radiator o mikroskopijnej strukturze. Wyżłobione rowki o głębokości 120 mikrometrów i szerokości 320 mikrometrów zwiększają efektywną powierzchnię chłodzącą o niemal 180% w porównaniu do gładkiej płyty. Ten zabieg nie tylko powiększa powierzchnię, lecz dzięki zjawisku rezonansu plazmonowego, aż 7,2-krotnie podnosi emisyjność w podczerwieni. W praktyce, tak przygotowany radiator usuwa dwa razy więcej ciepła niż konwencjonalny blok aluminiowy tej samej wielkości. Dla całego układu przekłada się to na generowanie szczytowej mocy wyższej o około 130%.
Gdzie można to zastosować? Od Internetu Rzeczy po infrastrukturę drogową
Demonstracja możliwości nowego generatora jest dość przekonująca. Bez zaawansowanego zarządzania ciepłem, urządzenie nie było w stanie zasilić nawet pojedynczej diody LED przy dziesięciokrotnym skupieniu światła słonecznego. Po wdrożeniu wszystkich ulepszeń termicznych, ta sama dioda świeciła pełną jasnością przy zaledwie pięciokrotnej koncentracji. Opisywana technologia znajduje sens w niszach, w których montaż standardowych paneli jest trudny lub nieopłacalny. Małe, samodzielne generatory termoelektryczne mogłyby zasilać rozproszone czujniki Internetu Rzeczy (IoT), urządzenia do monitorowania zdrowia, autonomiczne znaki drogowe czy skrzynki awaryjne pozbawione przyłącza do sieci.
Można je instalować na gorących powierzchniach, takich jak rury, ściany czy obudowy silników, eliminując potrzebę okablowania lub częstej wymiany baterii. Mimo imponujących wyników laboratoryjnych, nie możemy jeszcze ogłosić pełnego sukcesu. Głównym wyzwaniem pozostaje skalowanie precyzyjnej obróbki laserowej do wielkości przemysłowych. Proces jest jednostopniowy i może być stosowany do różnych materiałów, co daje nadzieję na przyszłą komercjalizację, ale na razie pozostaje kosztowny i wymagający. P