Generatory termoelektryczne przez dekady pozostawały ciekawostką laboratoryjną, głównie z powodu swojej żenująco niskiej wydajności. Podczas gdy zwykłe panele potrafią zamienić na prąd około 20% padającego na nie światła, ich termoelektryczni kuzyni radzili sobie dziesięciokrotnie gorzej. Ta dysproporcja mogła wydawać się nie do przeskoczenia, ale zespół naukowców z Uniwersytetu Rochester postanowił rzucić wyzwanie utartym schematom.
Laserowa metamorfoza zwykłego metalu
Badacze dokonali spektakularnego skoku wydajnościowego, osiągając piętnastokrotny wzrost mocy wyjściowej generatorów. Sekretem okazał się wolfram poddany obróbce laserami femtosekundowymi, które emitują impulsy trwające zaledwie jedną biliardową część sekundy. Te ultraszybkie błyski przekształcają zwykły, błyszczący metal w materiał o zupełnie nowych właściwościach.
Czytaj także: Prąd z wibracji i ciepła. Koreańczycy opracowali hybrydowy generator
Powstała w ten sposób powierzchnia, nazywana czarnym metalem, charakteryzuje się niezwykłą zdolnością do absorpcji światła słonecznego. Mikroskopijne struktury wytrawione laserem tworzą gęstą sieć rowków i kanałów, które skutecznie „łapią” fotony w szerokim zakresie długości fal. Co istotne, cały proces jest skalowalny i nie wymaga użycia szkodliwych chemikaliów.
Zaskakująco proste ulepszenia
Tradycyjne podejście do ulepszania generatorów termoelektrycznych koncentrowało się na materiałach półprzewodnikowych. Tymczasem zespół prof. Chunlei Guo poszedł zupełnie inną drogą, skupiając się na optymalizacji zarządzania ciepłem. To właśnie nieszablonowe myślenie przyniosło najbardziej spektakularne efekty.
Po stronie gorącej urządzenia zastosowano zmodyfikowany wolfram, który osiąga absorpcję na poziomie 0,9 – to trzykrotnie więcej niż standardowe ceramiczne absorbery. Jednocześnie jego emisyjność w podczerwieni pozostaje niska, co minimalizuje straty energii. Dodatkowym usprawnieniem okazała się komora szklarniowa z folii plastikowej o grubości 6 milimetrów, która redukuje straty ciepła konwekcyjnego o ponad 40%.
Również zimna strona przeszła istotne zmiany. Aluminium poddane tej samej laserowej obróbce tworzy mikrostrukturalny rozpraszacz ciepła, dwukrotnie wydajniejszy od tradycyjnych radiatorów. W testach urządzenie z obydwoma stronami obrobionymi czarnym metalem oświetliło diodę LED z pełną jasnością przy świetle pięciokrotnie silniejszym niż normalne światło słoneczne.
Gdzie to może znaleźć zastosowanie?
Nowa technologia raczej nie zastąpi konwencjonalnych farm słonecznych. Panele fotowoltaiczne nadal będą dominować w wielkoskalowej produkcji energii. Jednak ulepszone generatory termoelektryczne mogą znaleźć swoje nisze w zupełnie innych obszarach.
Najbardziej obiecująco zapowiadają się zastosowania w bezprzewodowych czujnikach Internetu Rzeczy o niskiej mocy. Takie urządzenia mogłyby pracować latami bez wymiany baterii, zasilane jedynie dostępnym światłem słonecznym. Kolejnym potencjalnym rynkiem jest elektronika noszona, gdzie każde dodatkowe źródło energii może wydłużyć czas pracy między ładowaniami.
W obszarach wiejskich, gdzie dostęp do sieci elektrycznej jest ograniczony, kompaktowe generatory mogłyby służyć jako systemy energii odnawialnej działające poza siecią. Ich mała waga i prostota konstrukcji to znaczące przewagi nad tradycyjnymi rozwiązaniami.
Perspektywy i ograniczenia
Badania opublikowane w sierpniu 2025 roku w czasopiśmie Light: Science and Applications pokazują, że sama gorąca strona z wolframowym absorberem zwiększa moc szczytową generatora siedmiokrotnie. To imponujący wynik, choć wciąż mówimy o wczesnym stadium rozwoju technologii.
Czytaj także: Chińczycy mają generator, jakiego zazdrości im cały świat. To pierwsza jednostka o takiej mocy
Finansowanie badań przez Bill and Melinda Gates Foundation, Army Research Office i National Science Foundation sugeruje, że poważni gracze dostrzegają potencjał tej technologii. Od zastosowań wojskowych po rozwiązania dla krajów rozwijających się – spektrum możliwości jest szerokie.
Czarny metal to tylko jeden z przykładów innowacyjnych materiałów powstających w laboratorium prof. Guo. Wcześniejsze prace obejmowały struktury metaliczne, które nie toną, oraz powierzchnie o kontrolowanych właściwościach hydrofobowych. Każde z tych odkryć może znaleźć zastosowanie w przyszłych technologiach energetycznych, choć droga od laboratorium do komercjalizacji bywa długa i wyboista.