EU-hankkeessa pyritään hyödyntämään led-valojen termodynamiikkaa hukkaenergian muuntamiseen takaisin sähköksi

Led-valot ovat diodeja, jotka säteilevät intensiivisesti valoa vähäisen sähkövirran ansiosta. Suurin osa ledeihin kohdistuvasta tutkimuksesta on viime vuosina vahvasti keskittynyt näkyvän valotehon lisäämiseen. Viimeisen kymmenen vuoden aikana tehty tutkimus on kuitenkin antanut viitteitä siitä, että valodiodit voi myös saada toimimaan siten, että niiden säteilemän energian määrä on suurempi kuin niiden kuluttama sähköenergia. Tämä johtuu siitä, että erittäin tehokkaat led-valot muuntavat jonkin verran lämpöenergiaa valoksi, jolloin ne voivat myös itse jäähtyä.

Jäähdytyssovellusten lisäksi tätä voisi tulevaisuudessa hyödyntää hukkalämpöenergian muuntamisessa takaisin sähköksi siten, että hukkalämmön lämmittämien ledien säteilemä valo kerättäisiin erittäin tehokkailla valokennoilla. Monia haasteita on kuitenkin vielä voitettavana, ennen kuin valon avulla toimivat lämmönkeräysmenetelmät voidaan osoittaa toimiviksi käytännössä ja ottaa ne hyötykäyttöön laboratorion ulkopuolella.

Aalto-yliopiston akatemiatutkija Jani Oksanen koordinoi näiden haasteiden ratkaisemiseksi Horisontti 2020 -rahoitteista hanketta, jolle on myönnetty vajaan 3,5 miljoonan euron määräraha.

”Jo nyt pystymme jäähdyttämään led-valojen joitakin osia ledin lähettämän säteilyn avulla. On kuitenkin vielä epävarmaa, voidaanko koko valodiodi saada jäähtymään ja voitaisiinko jäähdytys valjastaa johonkin hyödylliseen tarkoitukseen. Tässä projektissa yritämme selvittää, pystymmekö sieppaamaan led-valojen lähettämät fotonit ja muuttamaan ne takaisin sähköksi niin tehokkaasti, että hukkalämmön talteenotto on mahdollista”, Oksanen sanoo.

Oksanen julkaisi kollegoineen aiemmin tänä vuonna Nature Photonics -lehdessä artikkelin, jossa he kuvasivat ledejä koskevan termofotonitutkimuksen nykytilaa.

Oksanen ja hänen tiiminsä ovat tutkimuksissaan päätyneet siihen, että galliumarsenidi voisi olla ihanteellinen ehdokas jäähdytysdiodien materiaaliksi. Siitä valmistetut ledit pystyvät tuottamaan valoa erittäin tehokkaasti, ja Horisontti 2020 -hankkeen yhteistyökumppaneilla on runsaasti asiantuntemusta sen hyödyntämisestä eri laitteissa.

”Meidän on yritettävä poistaa materiaalista lähes kaikki häviöt. Lisäksi tutkimme monia muitakin seikkoja, joilla laitteet voitaisiin optimoida juuri meidän vaatimuksiimme sopiviksi. Yritämme esimerkiksi parantaa fotonien siirtämistä materiaaleista pois aiempaa tehokkaammilla tavoilla tai koitamme siirtää ne toiseen materiaaliin”, Oksanen sanoo. 

Horisontti 2020 -hanke kestää neljä vuotta, 2021 tammikuusta vuoden 2024 joulukuuhun. Aalto-yliopiston osuus rahoituksesta on 960 000 euroa.