Ledien jäähtymisen tutkimiseen miljoonarahoitus

Viisivuotinen rahoitus on kaksi miljoonaa euroa. Työ voi parhaimmillaan johtaa lämpöpumppujen ja jääkaappien mekaanisen jäähdytyksen korvaamiseen huomattavasti ympäristöystävällisemmällä kiinteän olomuodon optisella jäähdytyksellä.

Termofotoniikka tutkii ilmiöitä, joissa valoenergian synnyttämisessä käytetään sekä sähköä että lämpöä. Oksasen tutkimusryhmä on tehnyt uraauurtavaa työtä jäähdytykseen ja lämmönsiirtoon soveltuvien ledirakenteiden parissa. Termofotonisten ilmiöiden hyödyntäminen on mahdollista, kun ledin säteilemät valokvantit saavat energiaa lediin syötetystä sähköstä ja ottavat mukaan myös lämpöä koko järjestelmästä.

-      Hyötysuhde on tässä kohtaa hieman harhaanjohtava termi, mutta ledin hyötysuhde voi olla jopa yli sata prosenttia. Jotta tähän päästään, pitää puolijohteen ulkoinen kvanttihyötysuhde saada lähelle ykköstä käyttöjännitteen pysyessä hieman valokvanttien energiaa vastaavaa jännitettä pienempänä. Tätä lähdemme nyt tavoittelemaan.

Tutkimuksessa edetään laskennallisten mallien kautta uusien puolijohderakenteiden valmistamiseen Micronovan puhdastiloissa. Päätavoitteena on kokeellisesti osoittaa sähköisesti viritetyn puolijohteen valoemissioon perustuva jäähdytysilmiö.

-      Aluksi demonstroimme lämmönsiirtoefektiä suljetuissa rakenteissa, joissa on sekä valoa emittoiva osa eli ledi että sitä absorboiva osa, kuten aurinkokenno. Ideana on kasvattaa valon emissiota eli ledin kvanttihyötysuhdetta.

Optinen jäähdytys Peltier-elementtien tilalle

Pidemmällä tähtäimellä tavoitteena on korvata termosähköiseen jäähdytykseen perustuvat Peltier-elementit optisilla jäähdytysratkaisuilla. Peltier-jäähdytystä käytetään esimerkiksi autojen kylmälaukuissa, mutta sen hyötysuhde on huono.

-      Parhaassa tapauksessa optisen jäähdytyksen hyötysuhde voi nousta niin korkeaksi, että se ylittää jääkaappien kompressoreissa ja lämpöpumpuissa käytettävän mekaanisen jäähdytyksen hyötysuhteen. Tämä tietäisi suuria maailmanlaajuisia energiansäästöjä sekä jäähdytyksessä että lämmityksessä. Optiset jäähdytysratkaisut eivät myöskään tarvitse ympäristölle haitallisia kylmäaineita ja voivat olla hyvin kestäviä, koska liikkuvia osia ei ole.

Oksasen tutkimusryhmä toimii Perustieteiden korkeakoulun vuoden alussa aloittaneella Neurotieteen ja lääketieteellisen tekniikan laitoksella. Pohja ERC-hankkeessa tehtävälle työlle on luotu Aalto-yliopiston MIDE-ohjelman HighLight-projektissa sekä Aallon energiaohjelman MOPPI-projektissa.

Lisätietoja

Jani Oksanen, tutkija, TkT
Neurotieteen ja lääketieteellisen tekniikan laitos
puh.050 512 4374
[email protected]