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浸大王樹仁教授領導團隊研發新型納米結構塗層 採用金屬十字形結構提升航天器太陽能發電效率

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「光子超材料吸收器」以「納米十字形」為設計主軸,透過在太空收集所得的太陽光轉化為局部熱能,擴大熱電發電機的溫差,為微型太空船及自主太空感測器等提供更強的電力供應 

 

航天任務往往需具備一個能持續運作數年甚至數十年,以及極低甚至零維修的發電系統。由於熱電發電機能夠直接將溫差轉化為電能,且不含任何移動零件,因而備受航天領域廣泛使用。不過,熱電發電機的電能產出會隨溫差變小而下降,正是其現時的主要限制。

由香港浸會大學物理系王樹仁教授帶領的研究團隊,成功研發出一種名為「光子超材料吸收器」(PtMM)的全新納米結構塗層,有望解決現時熱電發電機在航天領域面對的挑戰。這項技術採用與工業兼容的超薄材料,塗層表面佈滿細小的金屬十字形結構。有別於讓太陽光反射流失,此塗層的表面設計能有效收集及鎖住太陽光,將其轉化為集中局部熱能,並輸送至熱電裝置中的熱端。研究結果顯示,這項技術成功擴大熱電裝置中的熱端和冷端之間的溫差,增加電能產出。同時,在經改良後的「納米十字形」設計下,塗層在可見範圍內的最高吸光率高達99%,而平均吸光率亦超過 95%。

 

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展示了在義大利理工學院(IIT)利用電子束光刻技術製造 NC-PtMM 幾何形狀的圖案化可行性(幾何可行性)

 

是次研究在無需重新設計熱電材料的情況下,為微型衛星、行星著陸器及自主太空感測器等微型航天技術的發電功能,提供嶄新和實際的研發方向。此外,由於研究概念建基於標準薄膜材料與微加工技術路線,這亦有助推動相關技術在未來從模擬測試和設計,走向實際測試及太空應用。

 

該研究已於國際權威學術期刊《物理化學化學物理》Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) 上發表:Near-unity broadband photonic metamaterial absorber for thermoelectric energy harvesting in Space