Новое исследование предлагает способ увеличить полезную энергию, получаемую из солнечного света

Физики из Тринити-колледжа в Дублине считают, что новое понимание поведения света может предложить новый способ решения одной из старейших научных задач — преобразования тепла в полезную энергию.

Их теоретический прорыв, который теперь будет проверяться в лаборатории, может повлиять на разработку специализированных устройств, которые в конечном итоге увеличат количество энергии, которое мы можем захватить из солнечного света (а также из ламп и светодиодов), а затем использовать для выполнения полезной работы.

Конденсация фотонов в полости, заполненной красителем, как тепловая машина. Фотоны в полости, которые конденсируются, происходят из внешнего источника, соответствующего горячей ванне двигателя, в то время как избыточная энергия рассеивается в холодную ванну, обеспечиваемую растворителем. Выходная работа соответствует когерентному излучению из конденсата. Автор: Physical Review A (2026). DOI: 10.1103/6lyv-trfj

Работа была опубликована в журнале Physical Review A.

Когда фотоны (частицы света) оказываются в ловушке в микроскопических оптических устройствах, они могут подвергнуться форме конденсации, при которой они ведут себя коллективно, а не как независимые частицы. На практике это концентрирует световую энергию в небольшой интенсивный луч одного очень чистого цвета, подобный излучению лазера.

Это явление наблюдалось в экспериментах, но только когда входная энергия уже находится в концентрированной форме, обеспечиваемой лазером. Теперь же, благодаря новому теоретическому анализу, физики считают, что этого можно достичь, используя входную энергию в рассеянной форме, подобной той, которую легко обеспечивают солнечный свет, лампы или светодиоды.

Мы смоделировали поведение устройств, которые улавливают свет в небольшой области пространства, и обнаружили, что это поведение связано с общими свойствами тепловых двигателей: машин, преобразующих неорганизованную энергию, которую мы, физики, называем «теплом», в полезную форму, которую мы называем «работой». Таким образом, те же законы, которые ограничивают паровые двигатели и электростанции, определяют, конденсируются фотоны или нет. Помимо концептуальной привлекательности этой работы, мы считаем, что она может повлиять на разработку оптических устройств, которые полагаются на канализацию потока световой энергии на квантовом уровне, от солнечных элементов до микроскопических двигателей, работающих на излучении.

Так прокомментировал Пол Истхэм, доцент Школы физики Тринити-колледжа и старший автор исследования.

Луиза Толедо Туд, Школа физики Тринити-колледжа, первый автор исследования, добавила: «Основная цель таких оптических устройств — производство «полезной» энергии, которая выходила бы в виде лазероподобного света. В относительном выражении это легко преобразовать в другие формы, и любое применение будет включать в себя это. Например, может быть возможным объединить такое устройство с солнечными элементами, чтобы увеличить количество электроэнергии, которую они захватывают из солнечного света».

Поскольку следующий шаг — проверить теорию в лабораторных условиях, мы должны быть осторожны, чтобы не строить чрезмерных спекуляций на данном этапе, но, конечно, волнующе думать, что эта работа однажды может помочь нам увеличить количество полезной энергии, которую мы можем захватить из источников света, а затем использовать для питания миллионов вещей, в которых мы нуждаемся.

Больше информации: Luísa Toledo Tude et al, Photon condensation from thermal sources and the limits of heat engines, Physical Review A (2026). DOI: 10.1103/6lyv-trfj

Источник: Trinity College Dublin