Bạn có tin bóng đèn sợi đốt mà có hiệu suất hoạt động tương đương hoặc thậm chí là cao hơn với đèn LED? Bằng cách sử dụng một dạng gương với kích thước nano, giúp thu thập năng lượng hồng ngoại bị lãng phí, sau đó tái cung cấp cho đèn, các nhà khoa học tại MIT đã có thể biến điều đó trở thành hiện thực.
Trước giờ chúng ta đều cho rằng bóng đèn sợi đốt là hao điện, là không có hiệu quả cao so với nhiều loại bóng đèn khác hiện đại hơn. Bóng đèn sợi đốt hoạt động bằng cách cho dòng điện chạy qua sợi dây tóc làm bằng vonfram, điện trở của dây tóc sẽ khiến nó bị nung nóng lên tới 2760 độ C và từ đó, phát sáng. Ở nhiệt độ cao như thế thì dây tóc không chỉ phát ánh sáng, tỏa rất nhiều nhiệt mà còn phát ra bức xạ hồng ngoại. Trên thực tế, một bóng đèn sợi đốt thông thường chỉ biến 2% điện năng thành ánh sáng cho ta sử dụng. Trong khi một bóng LED có thể đạt hiệu suất từ 5-15%.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại MIT đã phát triển nên một dạng bóng đèn dây tóc hoàn toàn mới, sử dụng các mảnh gương kích thước nano để tận dụng lại lượng bức xạ hồng ngoại nói trên. Đầu tiên, họ sẽ dùng các tinh thể photonic (loại vật liệu cho ánh sáng trong vùng quang phổ khả kiến đi qua nhưng phản xạ ánh sáng hồng ngoại trở lại dây tóc). Năng lượng từ bức xạ hồng ngoại sau khi bị hấp thụ sẽ được tái phát ra thêm một lần nữa nhưng ở quang phổ khả kiến. Và chu trình tới lui này cứ được lặp lại liên tục, từ đó tăng cường hiệu suất chuyển đổi của bóng đèn.
Trên mặt lý thuyết là vậy nhưng thực chất quá trình trên không phải là đơn giản. Đầu tiên nhóm phải tạo ra được các tinh thể photonic đạt tiêu chuẩn, đặc biệt là điều chỉnh sao cho quá trình truyền ánh sáng khả kiến và sự phản xạ tia hồng ngoại diễn ra đúng dự định. Tiếp theo, nhóm đã phải dùng hơn 90 lớp tantali oxit và silic dioxit để đảm bảo yêu cầu này. Sau đó, họ còn phải tái thiết kế lại dây tóc bóng đèn, tạo ra một bề mặt đủ rộng để có thể dễ dàng hấp thụ bức xạ. Và cuối cùng là chiếc đèn mà các bạn thấy ở đầu bài viết: một dải băng dây tóc mỏng, dài và đang được gấp lại.
Và trong thử nghiệm, chiếc bóng đèn này đã đạt hiệu suất chuyển đổi điện năng thành quang năng ở mức 6,6%. Con số này gấp 3 lần so với những chiếc đèn sợi đốt thông thường và thậm chí là cao hơn một chiếc đèn LED có hiệu suất thấp nhất. Nhóm nghiên cứu tự tin tuyên bố rằng hiệu suất còn có thể được đẩy lên cao hơn nữa và thậm chí là đạt mức 40%. Tuy nhiên, hiện tại thì chiếc bóng đèn này vẫn còn khá xa để thương mại hóa, còn nhiều nghiên cứu và cải tiến nữa phải được thực hiện trước khi bạn thấy nó ngoài thị trường. Và suy cho cùng, có lẽ người vui nhất vẫn là Thomas Edison nếu ông biết được rằng phát minh của mình vẫn còn giá trị sử dụng.
Trước giờ chúng ta đều cho rằng bóng đèn sợi đốt là hao điện, là không có hiệu quả cao so với nhiều loại bóng đèn khác hiện đại hơn. Bóng đèn sợi đốt hoạt động bằng cách cho dòng điện chạy qua sợi dây tóc làm bằng vonfram, điện trở của dây tóc sẽ khiến nó bị nung nóng lên tới 2760 độ C và từ đó, phát sáng. Ở nhiệt độ cao như thế thì dây tóc không chỉ phát ánh sáng, tỏa rất nhiều nhiệt mà còn phát ra bức xạ hồng ngoại. Trên thực tế, một bóng đèn sợi đốt thông thường chỉ biến 2% điện năng thành ánh sáng cho ta sử dụng. Trong khi một bóng LED có thể đạt hiệu suất từ 5-15%.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại MIT đã phát triển nên một dạng bóng đèn dây tóc hoàn toàn mới, sử dụng các mảnh gương kích thước nano để tận dụng lại lượng bức xạ hồng ngoại nói trên. Đầu tiên, họ sẽ dùng các tinh thể photonic (loại vật liệu cho ánh sáng trong vùng quang phổ khả kiến đi qua nhưng phản xạ ánh sáng hồng ngoại trở lại dây tóc). Năng lượng từ bức xạ hồng ngoại sau khi bị hấp thụ sẽ được tái phát ra thêm một lần nữa nhưng ở quang phổ khả kiến. Và chu trình tới lui này cứ được lặp lại liên tục, từ đó tăng cường hiệu suất chuyển đổi của bóng đèn.
Trên mặt lý thuyết là vậy nhưng thực chất quá trình trên không phải là đơn giản. Đầu tiên nhóm phải tạo ra được các tinh thể photonic đạt tiêu chuẩn, đặc biệt là điều chỉnh sao cho quá trình truyền ánh sáng khả kiến và sự phản xạ tia hồng ngoại diễn ra đúng dự định. Tiếp theo, nhóm đã phải dùng hơn 90 lớp tantali oxit và silic dioxit để đảm bảo yêu cầu này. Sau đó, họ còn phải tái thiết kế lại dây tóc bóng đèn, tạo ra một bề mặt đủ rộng để có thể dễ dàng hấp thụ bức xạ. Và cuối cùng là chiếc đèn mà các bạn thấy ở đầu bài viết: một dải băng dây tóc mỏng, dài và đang được gấp lại.
Và trong thử nghiệm, chiếc bóng đèn này đã đạt hiệu suất chuyển đổi điện năng thành quang năng ở mức 6,6%. Con số này gấp 3 lần so với những chiếc đèn sợi đốt thông thường và thậm chí là cao hơn một chiếc đèn LED có hiệu suất thấp nhất. Nhóm nghiên cứu tự tin tuyên bố rằng hiệu suất còn có thể được đẩy lên cao hơn nữa và thậm chí là đạt mức 40%. Tuy nhiên, hiện tại thì chiếc bóng đèn này vẫn còn khá xa để thương mại hóa, còn nhiều nghiên cứu và cải tiến nữa phải được thực hiện trước khi bạn thấy nó ngoài thị trường. Và suy cho cùng, có lẽ người vui nhất vẫn là Thomas Edison nếu ông biết được rằng phát minh của mình vẫn còn giá trị sử dụng.
Tham khảo Sciencemag, Nature
