ΕΝΑ ΤΑΞΙΔΙ ΣΤΙΣ ΤΕΛΕΥΤΑΙΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΕΣ ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ ΚΑΙ ΣΤΙΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ

¨...Η θέση και η ταχύτητα ενός μικροσκοπικού σωματιδίου δεν μπορεί να είναι ταυτόχρονα γνωστές με απόλυτη ακρίβεια....Όμως το πραγματικό περιεχόμενο της αρχής της αβεβαιότητας αναδεικνύεται αν την εφαρμόσουμε σε ένα σωματίδιο παγιδευμένο σε μια μικροσκοπική περιοχή, οπότε η θέση του είναι γνωστή με περιθώριο λάθους, δηλαδή απροσδιοριστία, όση και η διάσταση της φυλακής του. Εφόσον η απροσδιοριστία στη θέση του θα είναι πολύ μικρή, η απροσδιοριστία στην ταχύτητά του θα είναι πολύ μεγάλη, οπότε και η ταχύτητά του η ίδια θα είναι μεγάλη κατά μέσο όρο. Οδηγούμαστε έτσι στο εξής εντυπωσιακό- και πολύ βαθύ - συμπέρασμα: όσο πιο μικροσκοπική είναι η φυλακή στην οποία είναι κλεισμένο ένα σωματίδιο, τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητά του κατά μέσο όρο, άρα τόσο μεγαλύτερη και η κινητική ενέργεια που υποχρεούται να έχει... Η πιο μικροσκοπική φυλακή που υπάρχει στη φύση είναι ο ατομικός πυρήνας. Τι περιμένουμε λοιπόν να κάνουν οι έγκλειστοί του, δηλαδή τα πρωτόνια και τα νετρόνια που βρίσκονται στο εσωτερικό του; Σύμφωνα με τα παραπάνω, θα έχουν τεράστιες κινητικές ενέργειες ακριβώς επειδή είναι παγιδευμένα σε μια τόσο μικροσκοπική περιοχή. Ο πυρήνας είναι γίγαντας ενέργειας ακριβώς επειδή είναι νάνος μεγέθους...¨
¨ Το φάντασμα της όπερας¨, Στέφανος Τραχανάς, καθηγητής Φυσικού Τμήματος Παν. Κρήτης
Αφιέρωμα στην αρχή της απροσδιοριστίας ή αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg η οποία ανακαλύφθηκε το 1927 και ...κρύβεται πίσω από όλες τις βασικές φυσικές προυποθέσεις που επιτρέπουν στο σύμπαν να φτάσει έως την αυτογνωσία!

Κυριακή, 7 Φεβρουαρίου 2016

Η επιστροφή των γλόμπων


Παραδεχθείτε το: Αν δεν μας είχε βρει η ρημάδα η κρίση και δεν τους είχαν αποσύρει από τα ράφια, ακόμη λαμπτήρες πυράκτωσης θα αγοράζαμε! Τι κι αν μας βομβάρδιζαν με «πράσινες διαφημίσεις» οι πωλητές των LED, τι κι αν λογάριαζαν με νούμερα εντυπωσιακά τη σπατάλη ενέργειας οι περιβαλλοντικά ευαίσθητοι, εμείς πάλι εκείνους τους κιτρινιάρηδες γλόμπους θα θέλαμε. Γιατί; Διότι το φως τους ήταν πιο λαμπερό, πιο ζεστό, πιο γλυκό από οποιονδήποτε λαμπτήρα φθορισμού (CFL) ή φωτοδίοδο (LED) του σήμερα. Αλλά... έκαιγαν όντως πολύ ρεύμα...
Τόσο η γοητεία όσο και το μειονέκτημα των κλασικών γλόμπων του Τόμας Εντισον έχουν να κάνουν με το φαινόμενο λειτουργίας τους: ένα σύρμα βολφραμίου πυρακτώνεται σε θερμοκρασίες που φθάνουν ως και τους 3.000 βαθμούς Κελσίου. Η ακτινοβολία που εκπέμπει αυτή η πυράκτωση - η επονομαζόμενη ακτινοβολία μέλανος σώματος - είναι ένα πολύ ευρύ φάσμα φωτός, το οποίο αφενός φωτίζει ζεστά και αποδίδει πιστά όλα τα χρώματα του φωτιζόμενου χώρου και αφετέρου σπαταλά απλόχερα το 95% της όλης ενέργειας, κυρίως σε θερμότητα.


Κατά την κρατούσα αντίληψη, η σπατάλη αυτή ήταν που έκανε να παύσει η παραγωγή λαμπτήρων πυράκτωσης σε όλες σχεδόν τις χώρες. Υπάρχει όμως και ο αντίλογος αρκετών που διατείνονται ότι οι νέοι τύποι λαμπτήρων επιβλήθηκαν διότι άφηναν μεγαλύτερο περιθώριο κέρδους και είχαν μικρότερη διάρκεια ζωής. Και ότι, σε κάθε περίπτωση, παρείχαν χειρότερη ποιότητα τεχνητού φωτισμού.


Τώρα μια τεχνολογική εξέλιξη εντελώς απροσδόκητη έρχεται να αναστήσει τους λαμπτήρες πυράκτωσης, αφαιρώντας το ενεργειακό τους μειονέκτημα. Πρόκειται για έναν νανοφωτονικό μηχανισμό «ανακύκλωσης του φωτός» που υπόσχεται να αυξήσει την απόδοση αυτών των υπεραιωνόβιων λαμπτήρων στο... 14πλάσιο! Η πρώτη του υλοποίηση παρουσιάστηκε στις 11 Ιανουαρίου 2016 στο περιοδικό «Nature Nanotechnology» (βλ. www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2015.309.html) από τους ερευνητές του ΜΙΤ Ognjen Ilic και Ivan Celanovic και τους καθηγητές Γιάννη ΙωαννόπουλοPeter BermelGang Chen και Marin Soljacic.
Ο φωτοενισχυτής του ΜΙΤ

Οι επιστήμονες και μηχανικοί του ΜΙΤ ξεκίνησαν το ψάξιμο όχι γιατί... είχαν κόλλημα με το ζεστό φως των παλαιών λαμπτήρων αλλά γιατί ο στρατός και το υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ τούς χρηματοδότησαν να βρουν τρόπο αύξησης της απόδοσης των θερμοβολταϊκών. Μια και το πρόβλημα ήταν κοινό - ο ήλιος είναι επίσης ένας πυρακτωμένος γλόμπος φωτισμού με ενέργεια που εν πολλοίς μετατρέπεται σε θερμότητα -, οι ερευνητές επανεξέτασαν τον γλόμπο του Εντισον.


Αρχικά είχαν πρόβλημα με το ότι δεν μπορούσαν να παρέμβουν στο ίδιο το νήμα πυράκτωσης, καθώς η υπερυψηλή θερμοκρασία του (από 2.700 ως 3.000 βαθμούς Κελσίου) δεν αφήνει κανένα άλλο υλικό να σταθεί πλάι του. Τελικά όμως κατέληξαν να σχεδιάσουν μια έξυπνη μετατροπή που ανακυκλώνει το φως χωρίς επαφή: Ναι μεν πυρακτώνουν και πάλι ένα κομμάτι μετάλλου, αλλά φιλτράρουν την εκπεμπόμενη ακτινοβολία μέσα από παραπετάσματα φωτονικών νανοκρυστάλλων που στήνουν γύρω του. Τα φωτονικά φίλτρα αφήνουν να περάσει από μέσα τους το ορατό φάσμα του φωτός αλλά ανακλούν την υπέρυθρη ακτινοβολία (που δεν τη βλέπουμε και θα χανόταν ως θερμότητα) και την επιστρέφουν στην επιφάνεια πυράκτωσης.


Για να το πούμε παραστατικά, έχουμε ένα μικροσκοπικό «δωμάτιο με καθρέφτες», του οποίου τα υαλοπετάσματα γίνονται διάφανα παράθυρα όταν περνάει ορατό φως και καθρέφτες ολικής ανάκλασης όταν πάει να περάσει υπέρυθρο φως. Αυτό το επιστρεφόμενο φως αναπηδά πάνω στην πυρακτωμένη πλάκα μετάλλου, επαυξάνοντας τη θερμότητά της και κάνοντάς τη να εκπέμψει επιπλέον ακτινοβολία. Πρόκειται δηλαδή για ανακύκλωση θερμότητας που καταλήγει σε ενίσχυση του παραγόμενου φωτισμού.

Απόδοση, κόστος και εφαρμογές

Καταπώς μέτρησαν οι ερευνητές στην πρώτη τους αυτή υλοποίηση, ο νανοφωτονικός λαμπτήρας πυράκτωσης είχε απόδοση ενεργειακή 6,6%, με θεωρητική δυνατότητα να φθάσει στο 40%! Σκεφθείτε ότι ο κλασικός γλόμπος του Εντισον είχε απόδοση 2%-3%, ενώ οι λαμπτήρες CFL και LED έχουν απόδοση μεταξύ 5% και 13%. Ακόμη πάντως και σε αυτό το πρώτο στάδιο κατασκευής του, ο νανοφωτονικός λαμπτήρας υπερέχει και ως προς την ποιότητα του παραγόμενου φωτός: αποδίδει σχεδόν ιδανικά όλα τα χρώματα.


Οσον αφορά τώρα το κόστος κατασκευής τέτοιων φωτονικών λαμπτήρων, ο καθηγητής Ιωαννόπουλος δήλωσε χαρακτηριστικά: «Τα υλικά που χρειαζόμαστε βρίσκονται σε αφθονία γύρω μας και είναι φθηνά, ενώ τα ίδια τα φωτονικά φίλτρα απαρτίζονται από στιβάδες ανακυκλωμένων υλικών, που επίσης επιτρέπουν την κατοπινή ανακύκλωση». Αρα δεν υπάρχει λόγος η τελική τιμή διάθεσης να μην είναι φθηνότερη των τωρινών λαμπτήρων LED και CFL.


Φυσικά απομένουν ακόμη αρκετά βήματα ώσπου η τεχνολογία αυτή να τελειοποιηθεί και να φθάσει σε βιομηχανική παραγωγή. Και ας μην ξεχνάμε ότι λόγω της συγκεκριμένης χρηματοδότησης η προτεραιότητα του ΜΙΤ είναι τα θερμοβολταϊκά. Οπως δήλωσε ο καθηγητής Chen, «οι φωτιστικές δυνατότητες αυτής της τεχνολογίας είναι συναρπαστικές, αλλά η ίδια προσέγγιση μπορεί επίσης να ακολουθηθεί για τη βελτίωση της απόδοσης άλλων μετατροπέων ενέργειας».


Θυμίζουμε ότι στα θερμοβολταϊκά η προσλαμβανόμενη θερμότητα κάνει ένα υλικό να εκπέμπει φωτόνια, τα οποία απορροφώνται από ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο και μετατρέπονται σε ηλεκτρικό ρεύμα. Χρησιμοποιώντας λοιπόν και εκεί φίλτρα φωτονικών κρυστάλλων, η περίσσεια θερμότητας θα επανακατευθύνεται στο υλικό και θα γεννά ακόμη περισσότερα φωτόνια, άρα ρεύμα.


Θυμίζουμε επίσης ότι... στη χώρα μας έχουμε αρκετούς νέους ερευνητές - κυρίως στα πανεπιστήμια Κρήτης, Πατρών και Θεσσαλονίκης, αλλά και σε ερευνητικά ιδρύματα όπως ο «Δημόκριτος - που εξειδικεύονται στους φωτονικούς κρυστάλλους και στα λεγόμενααριστερόστροφα υλικά. Ιδού λοιπόν πεδίον ανάπτυξης λαμπρόν. Η πολιτεία «βλέπει το φως»;
www.tovima.gr