Nanofotonische comeback voor gloeilampen

Traditionele gloeilampen waren op weg naar de vergetelheid, maar dankzij een technologische doorbraak zouden ze LED technologie, maar al te vaak een veroorzaker van storingen in ons spectrum, naar de prullenbak kunnen verwijzen.
Gloeilampen, commercieel ontwikkeld door Thomas Edison (en nog steeds gebruikt door cartoonisten als het symbool van inventief inzicht), verwarmen van een dunne wolfraamdraad tot temperaturen van rond de 2700 graden Celsius. Deze draad zendt een zeer breed spectrum van het licht uit, heeft een warme uitstraling en een getrouwe weergave van alle kleuren.

Meer dan 95 procent van de energie die erin zit wordt echter verspild, het meeste als warmte. Dit was de reden voor de geleidelijke afschaffing van deze inefficiënte technologie. Onderzoekers van het MIT en Purdue University hebben een manier gevonden om het ouderwetse peertje superefficient te maken.

Light recycling

De sleutel was om het proces in twee fasen te laten verlopen, zo melden de onderzoekers. De eerste fase omvat een conventionele verhitte metalen gloeidraad, met alle daarmee gepaard gaande verliezen. In plaats van dat de restwarmte af te voeren in de vorm van infrarode straling, vangen secundaire structuren rond het filament deze straling af, reflecteren deze weer naar de gloeidraad, waar het wordt geabsorbeerd en opnieuw wordt uitgestraald als zichtbaar licht. Deze structuren, een vorm van fotonisch kristal, zijn gemaakt van veel voorkomende elementen en kunnen worden gemaakt met standaard depositie-technieken.

Die tweede stap maakt een dramatisch verschil in hoe efficiënt het systeem elektriciteit in licht omzet. De lichtopbrengst van conventionele gloeilampen ligt tussen 2 en 3 procent, dat van de TL (waaronder CFL) tussen 7 en 15 procent en die van de meeste LED’s tussen 5 en 20 procent. De nieuwe tweetraps gloeilamp kan een efficiëntie bereiken tot wel 40 procent.

De eerste proof-of-concept eenheden bereiken dat niveau nog niet, maar halen een rendement van ‘slechts’ 6,6 procent. Zelfs dat voorlopige resultaat komt redelijk overeen met de efficiëntie van een aantal van spaarlampen en LED’s, en het is al een drievoudige verbetering ten opzichte van de conventionele gloeilamp.

De sleutel tot hun succes was het ontwerpen van een fotonisch kristal wat werkt voor een zeer breed scala van golflengten en hoeken. Het fotonische kristal zelf is in essentie een stapel dunne lagen, afgezet op een substraat, met een precies afgemeten dikte en in een vaste volgorde. De gewenste zichtbare golflengten gaan dwars door het materiaal heen, maar de infrarode golflengten worden gereflecteerd. Deze reizen vervolgens terug naar de gloeidraad, voegen meer warmte toe, die vervolgens wordt omgezet in meer licht. Aangezien alleen het zichtbare licht kan ontsnappen, stuitert de warmte net zolang terug in de richting van de gloeidraad totdat het uiteindelijk eindigt als zichtbaar licht.

Meer informatie: MIT