Egy technológiát már évszázadok óta használunk a lakóhelyünk éjszakai hűtésére: egy forró nap után egyszerűen kinyitjuk az ablakokat és az ajtókat. A passzív hűtésnek ez a formája lényegében az éjszakai égboltot használja hatalmas hőleadóként: sötétedés után az égbolt elvonja a meleget a földről. Az éjszakai napelemek ötlete ebből az egyszerű gyakorlatból ered, amelyet mindannyian mindennap végzünk.
A koncepcióval a Stanford Egyetem mérnökei álltak elő még a világjárvány miatti lezárások alatt, és az ötlet erre az ismert jelenségre épül – számolt be az Interesting Engineering (IE) című internetes szaklap. Nappal a beérkező fényből a napelem áramot termel – ez mára már evidenciának számít. Talán sokak számára meglepő, de éjszaka mindennek a fordítottja megy végbe: a panelből távozik a foton, amit – megfelelő körülmények között – szintén fel lehet használni elektromos áram előállítására. A szóban forgó jelenség pedig nem más, mint a sugárzás útján történő lehűlés (radiativecooling). Ennek lényege, hogy a tiszta, felhőtlen égbolt irányába fordított felület éjszaka hűvösebb lesz, mint a környező levegő. Ezt a különös, és csak rendkívül finoman megmutatkozó jelenséget persze nem a modern mérnökök fedezték fel, már régóta hasznosítja az emberiség különböző formákban. Ez a sugárzásos hűtés egyes alkalmazási területeken csökkentheti a meglehetősen költséges akkumulátorok alkalmazásának szükségességét.
Mindez azért is érdekes, mert így kiaknázható egy olyan energiaforrás, amely felett a legtöbben elsiklanak: hogy nem csak a Nap, de a Föld is jelentős sugárzást bocsát ki magából. A Napból érkező sugárzás egy része persze csapdába esik a bolygó légkörében (az ezáltal keltett felmelegedés az üvegházhatás elég káros következménye), viszont még így is elég sok energia távozik a bolygóról. A napelemek, vagyis a fotovoltaikus cellák hagyományosan szenvednek a változó évszakok hatásaitól, és attól, hogy éjszaka nem működnek.
A kaliforniai Stanford felett tavaly októberben több éjszakán át szokatlanul tiszta volt az ég, ami jó hír volt Sid Assawaworrarit kutató, valamint kollégái számára egyaránt. Assawaworrarit nem csillagász, a villamosmérnök egészen más okból örült a felhőtlen éjszakáknak. Tiszta éjszakákon a napelemek felületéről az infravörös fény szabadon kisugározhat az űrbe. Ez az energiaáramlás teszi lehetővé, hogy az Assawaworrarit és kollégái által létrehozott eszköz – egy termoelektromos generátorral felszerelt közönséges napelem – kis mennyiségű villamos energiát termeljen a környezeti levegő és a mélyen az űrbe irányított napelem felszíne közötti csekély hőmérsékletkülönbségből.
Az új technológia ezt a napelemekkel kapcsolatos meglepő tényt használja ki. A napelemek – mint minden, ami az abszolút nulla foknál melegebb – infravörös sugárzást bocsátanak ki.
A termoelektromos generátornak nevezett eszköz képes a melegebb levegőből a hűvösebb napelem felé áramló hő egy részét felfogni és elektromossággá alakítani. Egy tiszta éjszakán az Assawaworrarit által a Stanford tetőn tesztelt eszköz nagyjából ötven milliwattot termel a napelemben négyzetméterenként (50 mW/m2).
Bár véleménye szerint ez valószínűleg rekordszám, Assawaworrarit és csapata nem áll meg itt. Meggyőződése szerint néhány fejlesztéssel (és egy jó helyen) egy ilyen eszköz kétszer ennyi áramot is tudna termelni. „Az elméleti határ valószínűleg egy vagy két watt négyzetméterenként”– mondja. „Ez nem egy hatalmas szám, de rengeteg olyan eszköz van, amelynél ez a fajta energia éjszaka jól jönne.” Például a világ lakosságának nagy része – nagyjából egymilliárd ember – nem fér hozzá semmilyen elektromos hálózathoz. Az ilyen helyzetben élők napközben támaszkodhatnak a napenergiára, de éjszaka ma még nem sokat tehetnek. Az akkumulátorokkal ellentétben, amelyek néhány ezer töltési ciklus után jelentősen degradálódnak, az ezekben a napelemekben használt termoelektromos generátorok élettartama (mivel szilárdtestek), a kutató állítása szerint nagyjából örökké tart. Ha sikerülne elérni a négyzetméterenkénti 1 W-ot, akkor a módszer elég csábító lenne már költséghatékonysági szempontból is.
A technológia másik jó felhasználási területe a környezeti érzékelők hatalmas hálózatának működtetése, amellyel a kutatók a világ távoli pontjain az időjárási viszonyoktól kezdve az invazív fajok megfigyeléséig mindent nyomon követhetnek. Az éjszaka kis mennyiségű áramot termelő napelemek itt is csökkenthetik az akkumulátorok szükségességét, és az azok karbantartási és csereköltségeit.
A Föld folyamatosan hatalmas mennyiségű – mintegy 173 000 tera Watt– energiát kap a Naptól. A felhők, a légkörben lévő részecskék és az olyan fényvisszaverő felületek, mint a hóval borított hegyek, ennek az energiának a 30 százalékát azonnal visszaverik az űrbe. A többi része végül a szárazföldet, az óceánokat, a felhőket, a légkört melegíti a bolygónkon.
Ám ez az energia nem marad itt. Amióta az emberek az ipari forradalom óta bőséges mennyiségű fosszilis tüzelőanyagot égetnek, üvegházhatást okozó gázok által megkötött további hőt leszámítva, a Föld körülbelül annyi energiát bocsát ki, amennyit befogad.Valójában a Földet érő napenergia több mint fele ezen a folyamaton megy keresztül, és végül visszatér az űrbe.
Assawaworrarit és kollégái nem az elsők, akik termoelektromos generátort használnak az ilyen típusú energia befogására (az IE már 2019-ben beszámolt az egyik első nagy innovációról ezen a téren). Azzal, hogy ezt az új technológiát napközben áramot termelő napelemekkel integrálják, a kutatók fontos lépést tettek előre:a hétköznapi emberek számára is lehetővé teszik, hogy maguknak gyűjtsék be ezt az energiát. De a technológia a régmúltban már ismert volt. Délkelet-Iránban több tucatnyi jégház, úgynevezett Yakhchāls maradványai találhatók, amelyeket az ókori perzsák használtak a jelenség kihasználására. Az emberek vizet öntöttek a jégházak melletti sekély medencékbe olyankor, ha a levegő hőmérséklete a 30Fahrenheit körül volt. Reggel összegyűjtötték a jeget, és átvitték egy közeli méhkasszerű építménybe, amelyben passzív hűtési technikák alkalmazásával egész nyáron fagypont alatt tartották a jeget.
Az éjszakai napelemek mögötti fizikai törvényszerűségek megértése csak egy része a küzdelemnek, a mérnökök évek óta dolgoznak a hatékonyság növelésén, hogy az eszközöket a való világban is érdemes legyen használni. Hónapokig tartó számolgatás után a csapat első kísérletében az eszköz korai példányai körülbelül tizedannyi áramot termeltek, mint amennyire számítottak.„A napelem valójában nem túl jó hővezető”– mutatott rá a probléma gyökerére Assawaworrarit. A mérnökök rájöttek, hogy a napelem szélein távozó energia nem sokban járul hozzá a rendszer energiatermeléséhez, mivel a hőenergia nem tudott könnyen átjutni magán a napelemen. Végül a napelemet közvetlenül egy alumíniumlemezre erősítették, így sokkal hatékonyabban vezeti az energiát.
Egyes kutatások szerint ezek a termoelektromos generátorok akár a gépek által termelt hulladékhő hasznosítására is felhasználhatók lennének.
(A cikk eredetileg 2022. júniusban jelent meg a Zöld Ipar Magazinban,nyomtatásban.)
További hírek a kategóriából
