如何使老式灯泡发光而不浪费那么多电
海豆芽译 原载Science网2016.6.11
科学新闻栏目 原作者Robert F. Service
托马斯·爱迪生该高兴了。研究人员已经提出了一种方法来显著提高他的著名发明白炽灯的效率。这种方法采用纳米工程反光镜来很大程度上回收灯丝产生的热量，并转化成额外的可见光。这种新时代的白炽灯离商业化产品仍然很远，不过其效率已经几科与商业的LED灯泡一样好，同时还保持着一种温暖的老式光辉。
林尚佑说：“这是一项美好的研究。”他是美国纽约州特洛伊市伦斯勒理工学院的电气工程和光学专家。他和另一些人注意到有充足的空间来进一步改善这种反光镜，最终可以把这种灯泡的效率推进到好过目前照明技术所能够达到的。而且因为照明消费了美国全部电力的11%，任何这类的改善可以显著地降低能源消耗，且引申开来，就是降低二氧化碳排放对气候变化的贡献。
白炽灯泡从爱迪生首先完善以来很少改变。灯泡通过给一根卷曲的钨丝通电来工作。这种长长的、卷曲的路径增加了对流过电流的电阻，把灯丝加热到大约3000K（约2727℃）。在这种温度下，灯丝发出温暖的淡黄色白光，就是我们所一直期待的灯泡的光芒。
尽管如此，输入白炽灯的能量只有约2%以可见光波发出。大部分输出的是较长的红外（IR）光波，且作为热量被浪费了。其它技术作的稍好。紧凑型荧光灯泡通常达到7%到13%的效率，LED灯泡控制在5%到15%之间。可是迄今为止，这些种类的灯泡一直难以产生大多数消费者喜欢的温暖的白光。
研究人员已经努力提升某些光发射源的效率，采用的是雕刻用纳米结构设计的发光材料的表面，以把更多的能量作为可见光发出。不过用白炽灯泡时，钨丝的灼热温度迅速引起这种纳米结构崩溃。
反之，美国剑桥市的麻省理工学院的研究员（由物理学家Ognjen Ilic、Marin Solja?i?和John Joannopoulos领导）打算借助于一种杂乱结构的材料提高白炽灯的效率，这种材料称为光子晶体，可能会置于灯丝之外且更加稳定。光子晶体能够既作为滤波器又作为反光镜，让某些波长的光通过同时反射其它的光。因此，麻省的团队开始着手创造让可见光通过同时反射红外光的光子晶体。希望灯丝会重新吸收红外光子，然后再次把部分能量作为可见光发射出来。
为了研发他们的光子晶体，研究人员开始用的是毫米厚玻璃片，交互放置了90层氧化铝和二氧化硅。选择这种混合是因为它反射红外线而不是可见光子。该团队依靠大量的计算机模拟来准确确定这些层必须有多厚。
他们还必须重新设计灯泡的钨丝。为代替卷曲的钨丝，他们把一条钨带反复折叠，制作出看起来像一片极薄的钨片。电流仍然流过长而迂回的路径，确保电流有一种高的电阻，且因此而加热钨片使其发光。可是钨片更大的表面积现在使之更容易吸收更多的光子晶体反射的红外光子。
这仍然处于紧凑型荣荧光灯和LED灯效率范围的低端。可是，“我认为他们能够作得比这更好，” Alejandro Rodriguez说，他是美国普林斯顿大学的电气工程和光子晶体专家。Rodriguez解释说，只要光子晶体包括额外的材料类型和更复杂的结构，麻省理工的光子晶体反光镜很可能会在反射红外光方面更加有效。虽然如此，他说：“这是漂亮的起步。”
Ilic和Solja?i?说，随着进一步的研究，也许很可能达到40%的效率，远远高于目前市场上所能买到的LED灯所能达到的效率。他们正在寻求采用一种类似的方法去改善装置的被称为热光伏系统（thermophotovoltaics）的电转换效率，热光伏系统利用阳光来加热钨以使其发射一种波长的光，这种光由太阳能电池有效地转换成电。为了使任意一种应用成功，研究人员必须说明他们所能作到的，并且他们的光子回收器便宜得足以使之值得添置。如果这种方法不负所望，前沿的光子学可以为爱迪生的发光灯丝起死回生。
英文原文地址：
http://www.sciencemag.org/news/2016/01/how-get-old-fashioned-light-bulb-glow-without-wasting-so-much-energy
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