Китайская группа специалистов в области материаловедения и инженерии предложила инновационный подход к разработке привычных всем ламп накаливания. Использование новых материалов позволило им создать «устройство освещения накаливания с рециркуляцией фотонов», которое отличается повышенной энергоэффективностью и увеличенным сроком службы. Эти устройства демонстрируют лучшие показатели по сравнению со светодиодными лампами, сохраняя при этом характерное теплое свечение, привычное для ламп накаливания.
Около 20% мировой электроэнергии и свыше 10% выбросов углерода расходуется на освещение. Это обуславливает растущую потребность в повышении энергоэффективности систем освещения и замене ламп накаливания на более эффективные – в семь раз и более – и долговечные – в десять раз и более – решения, основанные на лазерах и светодиодах. Принцип их работы заключается в электролюминесценции – излучении фотонов веществом под воздействием электрического тока.
Переход на новые системы освещения, несмотря на видимые преимущества, оказался непростым: светодиодные лампы уступают лампам накаливания по точности цветопередачи. Для расширения спектра излучения в видимой области в светодиодах применяются фосфоресцирующие преобразователи, что приводит к увеличению тепловыделения. В результате возникает необходимость компромисса между эффективностью и цветопередачей, и в большинстве случаев приоритет отдается первому фактору.
Лампы накаливания характеризуются непрерывным и полным спектром видимого света, что обеспечивает комфортное освещение для человека. В связи с этим, китайские ученые предложили и реализовали экспериментальную установку, основанную на том же принципе нагревания материала электрическим током для излучения фотонов, как и в обычных лампах. Авторы назвали свою разработку «устройством освещения накаливания с рециркуляцией фотонов» (PRILD), подробное описание которого представлено в статье, опубликованной в журнале Science Advances.
Сначала исследователи заменили центральный элемент лампы — нить накала. Вместо обычной вольфрамовой нити авторы предложили использовать свою разработку — термоэмиттер Янус (Janus), состоящий из двухслойной цельнокерамической полосы, изготовленной из углеродных нанотрубок (черный излучатель) и гексагонального нитрида бора (белый излучатель). Затем они заменили стеклянную колбу, заполненную инертным газом, на керамический корундовый резонатор. Под черным излучателем в вырезе резонатора находится кварцевое окно со специальным фильтром, пропускающим видимый свет и отражающим инфракрасное и ультрафиолетовое излучение.
В устройстве, упомянутом в названии, схема рециркуляции фотонов функционирует следующим образом. Белый излучатель препятствует проникновению энергии внутрь устройства, благодаря низкой излучательной способности в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, а также, совместно с резонатором, эффективно отражающим широкий спектр фотонов, формирует внутренний цикл рециркуляции фотонов, что позволяет уменьшить потери энергии на рассеяние внутри устройства. Черный эмиттер, созданный на основе углеродных нанотрубок, обладает коэффициентом излучения, близким к единице, в видимом и инфракрасном диапазонах.
Кварцевое окно пропускает только видимый спектр, при этом ультрафиолетовое и инфракрасное излучение отражаются обратно в резонатор, где поглощаются черным излучателем. Разработанное и изготовленное устройство демонстрирует КПД более 25%, его эффективность приблизительно в полтора раза выше, а срок службы – более чем в три раза больше, чем у светодиодных ламп. При этом, как и у устаревших ламп накаливания, новые устройства сохраняют высокую точность цветопередачи и комфортное для восприятия свечение.