Nereikalingą šilumą panaudosime iš naujo? FTMC fizikų išradimas žada technologinį proveržį 

Vienas didžiausių laimėjimų atliekant mokslinį darbą – kai tyrimai ir eksperimentai virsta veikiančiais prietaisais. Tai gali patvirtinti Fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) Optoelektronikos skyriaus fizikai dr. Irmantas Kašalynas ir dr. Vytautas Janonis, kurie užpatentavo siaurajuostį, pasirinkto dažnio (spalvos) labai kryptingos šiluminės spinduliuotės šaltinį. Jo panaudojimas gali sukelti proveržį elektronikoje – pradedant mūsų namais, baigiant kosmosu. 

Tai – pirmasis tokio pobūdžio išradimas pasaulyje. 

Įprasti šiluminės spinduliuotės šaltiniai – pavyzdžiui, elektros lemputė – skleidžia šviesą į visas puses ir per visą spalvų (dažnių) spektrą. Štai kodėl įjungus šviesą patalpa iš karto nušvinta, o mes galime matyti objektus ir atskirti jų spalvas.  Tačiau mokslininkams kartais reikia visai kitokios šviesos: tokios, kuri nesklistų į visas puses, bet sudarytų vientisą, koncentruotą vienos pasirinktos spalvos pluoštą. Tokia spinduliuotė vadinama koherentine – o ryškiausias to pavyzdys yra lazeriai. Būtent tokią „tiesią“ šviesą ir gali pasiekti FTMC sukurtas šiluminis šaltinis. 

Mažyčiai grioveliai, darantys didžiulį poveikį 

Šį prietaisą sudaro mažytis, ant piršto telpantis galio nitrido kristalas, kurio paviršiuje išgraviruoti mikroskopiniai grioveliai. Jų vaidmuo čia – esminis, nes kaitinamas kristalas dėka šių griovelių pradeda skleisti labai kryptingą žmogaus akiai nematomą tolimąją infraraudonąją šviesą (jos bangos ilgis – 17,5 mikrometro, o dažnis – 17 terahercų).  

FTMC šaltinyje naudojami žiediniai grioveliai (įprastai kitur būna naudojami tiesių linijų), kurie nukreipia parinkto dažnio (bangos ilgio) infraraudonąjį šviesos pluoštą statmenai į viršų. 

(Lietuvių fizikų sukurtas šiluminis šaltinis. Bernadetos Sisimbajevės / FTMC nuotr.)

„Šios smulkios struktūros kristalo paviršiuje nespindi atskirai – jas galima išdėstyti greta, naudojant vienodą arba skirtingą geometriją. Kartu jos šviečia tarsi miniatiūriniai žibintai viena kryptimi ir sukuria mažus, labai kryptingus savotiškus šviesos stulpelius“, – paaiškina dr. I. Kašalynas. 

„Kadangi naudojame elektrai laidų galio nitridą, mums net nereikia išorinio kaitintuvo. Eksperimentuose tiesiog prijungėme elektrodus ir leidome per kristalą elektros srovę – jis įkaito pats, o jo paviršius pradėjo skleisti kryptingą vieno bangos ilgio spinduliuotę“, – priduria dr. V. Janonis. 

Galio nitrido kristalai pasirinkti neatsitiktinai. Tai viena svarbiausių medžiagų, įtrauktų į Europos lustų aktą – ES iniciatyvą puslaidininkių ekosistemai stiprinti. Tačiau šie kristalai yra brangūs ir reti. 

Todėl Lietuvos mokslininkai bendradarbiauja su partneriais iš Lenkijos mokslų akademijos Aukštų slėgių fizikos instituto (UNIPRES), kurie suteikė itin aukštos kokybės galio nitrido kristalų. Šis bendradarbiavimas leido praktiškai išbandyti FTMC sukurtą naująjį šiluminės spinduliuotės šaltinį ir aprašyti jo veikimą.  

Be to, I. Kašalyno ir V. Janonio europinis patentas nurodo, kad analogiški spinduliuotės šaltiniai galėtų būti kuriami ir iš kitų puslaidininkių kristalų, pavyzdžiui, galio arsenido ar indžio fosfido. 

Panaudojimas – nuo namų iki kosmoso 

FTMC mokslininkai tobulina vadinamąjį atliekinės šilumos valdymą (angl. Waste heat management) – metodą, kai iš įvairių elektronikos prietaisų išspinduliuojama perteklinė šiluma panaudojama energijos perdirbimui, užuot leidus jai tiesiog išsisklaidyti aplinkoje.  

Lietuvių išvystyti maži, tvirti kristalai su grioveliais gali būti integruojami į elektroniką, lengvai gaminami ir valdomi. Tai reiškia, kad elektros įrenginio šiluma gali būti paversta „nauja“ elektra ir nukreipta būtent ten, kur jos reikia. I. Kašalynas pateikia kasdienišką pavyzdį: 

„Kompiuterių mikroprocesoriai skleidžia šilumą. Naudojant mūsų sukurtus kristalus su specialiais paviršiais, ši spinduliuotė galėtų būti nukreipta tiesiai į bateriją. Tokiu būdu atliekinė šiluma būtų paverčiama elektros energija, o įrenginys galėtų pats save maitinti.“ 

(Pexels.com nuotr.)

Tuo metu V. Janonis kalba apie galimą išradimo panaudojimą kosmose: 

„Vienas įdomiausių pritaikymų – termofotovoltaika (technologija, kuri šilumą paverčia elektra). Iš tam tikrų elektronikos komponentų susikaupusią šilumą galėtume perduoti į optinius elementus. Pavyzdžiui, kosminiai palydovai: kai viena jo dalis įkaista, atliekinė šiluma galėtų būti nukreipta į jutiklį, trumpojo nuotolio ryšio įrenginį ar kitą komponentą.“ 

Pasak pašnekovų, patentuota griovelių struktūra yra gana paprasta gaminti ir lengvai plečiama, todėl ja galima padengti labai didelius plotus, teoriškai – net ištisus pastatus. Tokiu būdu perteklinė šiluma iš pastatų galėtų būti spinduliuojama tiesiai į kosmosą, užtikrinant vadinamąjį pasyvųjį vėsinimą pro spinduliuotei laidžius atmosferos „langus“. 

Mokslininkai užsimena ir apie pritaikymą biologijoje: molekulės, sugeriančios tam tikro ilgio šviesos bangas, galėtų būti pasirinktinai kaitinamos kryptine spinduliuote; tai padėtų paspartinti norimas chemines reakcijas arba sunaikinti konkrečias kenksmingas ląsteles. 

Šiuo metu FTMC fizikai tęsia ir plėtoja tyrimus, toliau tobulindami savo išradimą – kad jo praktinis pritaikymas kuo greičiau taptų kasdienybe.  

Parengė Simonas Bendžius