Atklājumi.lv

Izgudrota tehnoloģija, kas Saules enerģiju ļauj uzglabāt šūnā nedēļām ilgi

Saules enerģija daudzviet pasaulē ir viens no alternatīvās enerģijas veidiem ar vislielāko potenciālu. Saistīt Saules enerģiju ir iespējams ar Saules šūnu vai kolektoru palīdzību, kas uz Zemi krītošo Saules gaismu pārvērš attiecīgi elektroenerģijā vai siltumenerģijā.

Tomēr pagaidām, runājot par Saules šūnām, būtisku problēmu rada tas, ka materiāli, kas tiek lietoti lielākajā daļā mūsdienu Saules paneļu, uzņemto enerģiju spēj uzglabāt vien pāris mikrosekundes. Taču tas varētu mainīties jau tuvākajā nākotnē. Zinātnieki no Kalifornijas universitātes Losandželosā (UCLA) (ASV) izstrādājuši nozīmīgu Saules paneļu uzlabojumu, kas ļaus savākto Saules gaismas enerģiju uzglabāt pat nedēļām ilgi.

Informācija par jauno atklājumu publicēta žurnālā „Science”. 

Iedvesmu jaunajai tehnoloģijai zinātnieki smēlušies dabā, iedziļinoties fotosintēzes procesā, kura rezultātā augi iegūst enerģiju no Saules gaismas.

„Bioloģija paveic lielisku darbu, veidojot enerģiju no Saules gaismas. Augu fotosintēzes efektivitāte (Absolūtā fotosintēzes efektivitāte ir neliela - apmēram 5-6%, pētniece, šķiet, domājusi relatīvo efektivitāti, ņemot vērā augu pašreģenerāciju un reakcijām nepieciešamo elementu plašo pieejamību apkārtējā vidē - red.) ir ļoti augsta,” norādījusi viena no pētījuma autorēm, Sāra Tolberta (Sarah Tolbert) no Kalifornijas universitātes Losandželosā.

Augi fotosintēzē izmanto to šūnās esošas rūpīgi sakārtotas nanoizmēra struktūras, kurās strauji tiek atdalīti elektriskie lādiņi – elektroni tiek „vilkti prom” no pozitīvi lādētās molekulas, paturot pozitīvos un negatīvos lādiņus atdalītus. Kā norādījuši pētnieki, tieši lādiņu efektīvā atdalīšana ir galvenais iemesls, kādēļ augi spēj iegūt enerģiju no Saules gaismas daudz efektīvāk, nekā tas izdevies jebkuram cilvēku līdz šim radītam Saules panelim.

Līdz šim pasaulē populārākās efektivitātes līmeņa dēļ (līdz pat 40% lietderības koeficients) ir uz silīcija monokristālu bāzes būvētās Saules baterijas. Tomēr silīcijs salīdzinoši ir diezgan dārgs materiāls, kas samazina šo šūnu pieejamību patērētājiem. Tāpēc zinātnieki par vienu no galvenajiem mērķiem solārās enerģijas nozares attīstībā izvirzījuši Saules bateriju pieejamības palielināšanu – nepieciešams izstrādāt pēc iespējas lētākus un efektīvākus Saules paneļus, lai padarītu tos pieejamus plašākai sabiedrības daļai.

Diemžēl līdz šim izveidotie zemākas cenu kategorijas plastikas paneļi, kuros tiek izmantoti organiskie fotoelektriskie materiāli, ir izrādījušies relatīvi neefektīvi.
Paneļu relatīvi zemā efektivitāte galvenokārt ir skaidrojama tieši ar problēmām lādiņu atdalīšanā – gaismas inducētie pozitīvie un negatīvie elektriskie lādiņi bieži vien rekombinē, vēl pirms tie ir spējīgi kļūt par elektroenerģiju.

„Mūsdienu plastikāta Saules paneļu šūnām nav tik labi izstrādātas struktūras kā augiem, tāpēc ka līdz šim mēs nesapratām, kā tādas izveidot,” paskaidrojusi Tolberta, „jaunā sistēma spēj atdalīt lādiņus un paturēt tos atdalītā stāvoklī vairāku dienu vai pat nedēļu garumā. Līdz ko izdodas izveidot pareizo struktūru, rodas iespēja ievērojami uzlabot enerģijas uzglabāšanas rādītājus.”

Divas galvenās sastāvdaļas, kas ļauj Saules paneļu tehnoloģijai darboties, ir polimēru donors un nanoizmēra fullerēna (oglekļa allotropiskais veids) pieņēmējs (akceptors). Polimēru donora uzdevums ir absorbēt Saules gaismu un padot elektronus fullerēna pieņēmējam. Šī procesa rezultātā tiek ģenerēta elektroenerģija.

Parasti plastikas Saules paneļu šūnu struktūra ir līdzīga kā pagatavotiem spageti makaroniem – tā sastāv no nesakārtotiem, gariem, tieviem polimēriem ar nejauši izkārtotiem fullerēna pieņēmējiem. Haotiskais izkārtojums apgrūtina elektriskās strāvas izkļūšanu no šūnas, jo elektroni polimēru jūklī mēdz absorbēties.

UCLA zinātnieku izstrādātajā tehnoloģijā visi Saules paneļa elementi ir izkārtoti daudz organizētākā struktūrā. Atgriežoties pie spageti piemēra, jaunizstrādāto struktūru varētu raksturot kā nelielus saišķus ar nepagatavotiem spageti makaroniem. Arī fullerēna pieņēmēju izvietojums ir izvēlēts rūpīgi un precīzi. Jaunā dizaina panelī fullerēna pieņēmēji atrodas gan polimēru „spageti saišķos”, gan ārpus tiem. Pieņēmēji, kas atrodas struktūras iekšpusē, ir atbildīgi par elektronu uzņemšanu no polimēriem un to pārraidīšanu uz ārējiem pieņēmējiem, kas savukārt spēj efektīvi noturēt elektronus prom no polimēriem pat vairākas nedēļas.

„Kad lādiņi nekad nesatiekas, sistēma strādā daudz labāk,” uzlabojumu komentējis pētījumā iesaistītais UCLA ķīmijas profesors Bendžamins Švarcs (Benjamin Schwartz).

Jaunajā sistēmā materiāli ir spējīgi pašsakārtoties, pietiek ar to vien, ka tie ir novietoti ciešā tuvumā viens pie otra.

Turklāt ievērojami uzlabotā efektivitāte nav vienīgā jaunā Saules paneļu šūnu dizaina priekšrocība - kas, ņemot vērā plašās diskusijas par Saules paneļu ietekmi uz vidi, ir īpaši iepriecinoši, jaunā tehnoloģija ir videi draudzīgāka, nekā līdzšinējie izgudrojumi, jo materiālu savienošanas procesā var izmantot ūdeni, līdz šim lietoto ievērojami toksiskāko organisko šķīdumu vietā.

Šobrīd pētnieki strādā pie tā, lai jauno tehnoloģiju no konceptuāla prototipa stadijas pēc iespējas ātrāk būtu iespējams ieviest reālajā dzīvē. Tās praktiskais pielietojums varētu būt vietās, kur šūnas ģenerētās strāvas uzkrāšanai nav iespējams izmantot lielus, ietilpīgus akumulatorus - piemēram, kosmosā. Tāpat šī tehnoloģija varētu kalpot kā sistēma kritisku ierīču īslaicīgam rezerves nodrošinājumam ar strāvu, ja akumulatori pēkšņi iziet no ierindas. Pagaidām svarīgākais, ko zinātniekiem ir izdevies pierādīt, ir tas, ka pastāv iespēja izmantot relatīvi lētus fotoelementu materiālus, lai uzlabotu Saules paneļu efektivitāti, turklāt papildus samazinot materiālu izmaksas un negatīvo ietekmi uz vidi.

Attēls: Saules šūnas uz jumta - ilustratīvs piemērs, nesaistīts ar aprakstīto jauno tehnoloģiju. Avots: wikimedia.org.

Avots:

newsroom.ucla.edu

Atklajumi.lv izsaka pateicību LU Cietvielu fizikas institūta pētniekam Jānim Latvelam, kurš palīdzēja ar konsultāciju šī raksta sagatavošanā. 

Brīvpieejas materiāls. Pārpublicēt atļauts tikai ievērojot ŠOS NOTEIKUMUS.