Ученые-материаловеды и инженеры из Китая предложили новый взгляд на привычные лампочки накаливания. Использование новых материалов позволило переизобрести лампочку и создать устройство освещения накаливания с рециркуляцией фотонов, обладающее повышенной энергоэффективностью и сроком службы. Это устройство превосходит светодиодные лампы по указанным параметрам, сохраняя при этом традиционное комфортное для глаз свечение ламп накаливания.
Освещение потребляет около 20% мирового энергопотребления и более 10% выбросов углерода, что стимулирует стремление к повышению энергоэффективности систем освещения и замене ламп накаливания на лазерные или светодиодные системы, которые в семь раз эффективнее и в десять раз долговечнее. Последние работают по принципу электролюминесценции — испускания фотонов материалом при прохождении электрического тока.
Несмотря на видимую простоту перехода на новые осветительные системы, светодиодные лампы не могут похвастаться такой же точной передачей цветов, как лампы накаливания. Для расширения диапазона излучения в видимой области в светодиодах применяются фосфоресцирующие понижающие преобразователи, что приводит к дополнительным тепловыделениям и заставляет выбирать между эффективностью и цветопередачей, часто выигрывает первая.
Лампы накаливания обладают непрерывным полным спектром видимых лучей, что создает комфортное для человека освещение. В связи с этим ученые из Китая предложили и реализовали новое устройство, основанное на том же принципе накаливания материала электрическим током для испускания фотонов, как и традиционные лампочки. Авторы назвали свою разработку «устройством освещения накаливания с рециркуляцией фотонов» (PRILD), подробное описание которого приводится в статье. опубликованной в журнале Science Advances.
Вначале исследователи заменили центральную часть лампы — нить накала. Вместо традиционной вольфрамовой нити авторы предложили использовать разработку — термоэмиттер Янус: двухслойную цельнокерамическую полосу из углеродных нанотрубок (черный излучатель) и гексагонального нитрида бора (белый излучатель). Затем заменили стеклянную колбу с инертным газом керамическим корундовым резонатором. Под черным излучателем в вырезе резонатора находится кварцевое окно со специальным фильтром, пропускающим видимое и отражающим инфракрасное и ультрафиолетовое излучение.
Схема рециркуляции фотонов, названная в тексте устройство, работает следующим образом: белый излучатель направляет поток энергии внутрь из-за низкой излучательной способности в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Вместе с резонатором, хорошо отражающим широкий спектр фотонов, этот излучатель образует внутренний круг рециркуляции фотонов, подавляя потери на рассеяние энергии в полости устройства. Черный эмиттер, изготовленный из углеродных нанотрубок, имеет коэффициент излучения, близкий к единице, в видимом и инфракрасном диапазонах.
Кварцевое окно пропускает только полный видимый спектр, отражая ультрафиолетовое и инфракрасное излучения обратно в резонатор, где его поглощает черный излучатель. Спроектированное и изготовленное устройство имеет КПД больше 25%, эффективность примерно в полтора раза выше, а срок службы — более чем в три раза дольше, чем у светодиодных ламп. Новые устройства накаливания сохраняют высокую точность цветопередачи и комфортное для человеческого глаза свечение, как и устаревшие лампы накаливания.