Вселенная и наука

Солнце полуночи: Как получать солнечную энергию 24 часа в сутки

 Валерий   24 февраля 2013

Большинство инженеров пришли бы в ужас, если бы нашли хотя бы маленькое пятнышко ржавчины на электродах. Однако Кеннет Харди (Kenneth Hardee) и Аллен Бард (Allen Bard) сделали свои (электроды) именно с нее. В погоне за дешевой солнечной энергией, эта пара ученых попыталась добыть ток с дешевого материала, который только могла найти. И они сделали это: если положить ее против видимого света, то возникает слабый, но неплохой ток.

Это произошло еще в 1975 году, когда кремний как раз набирал обороты. Большая эффективность кремния сделала его основным материалом для фотоэлектрических солнечных элементов, и он остался на верхних позициях рынка до сего дня. Ржавчина просто не имеет таких электрических свойств, благодаря которым могла бы конкурировать. Небольшой прорыв Техасского университета в Остине не привлек много внимания, и пока единственный случай, когда люди думают о ржавчине — если вообще о ней думают — это когда хотят от нее избавиться.

Однако в последние несколько лет внимание вновь сместилась на вещество, которое, в отличие от общепринятой точки зрения, может оказаться не таким простым материалом. Хотя железная ржавчина и не способна соревноваться с кремнием в эффективности в плане преобразования солнечной энергии в электрический ток, она может делать нечто такое, что для кремния невозможно: помогать сохранять солнечную энергию. Маленькие хлопья ржавчины могут быть решением одной из самых больших проблем солнечной энергетики — ночи.

Исследования солнечной энергии обострились исключительно на эффективности. Ежедневно Солнце окутывает Землю таким количеством энергии, которую мы и не надеемся использовать за год. Однако собирать ее непросто. Даже лучшая из сегодня доступных технологий — солнечные панели стоимостью в миллиарды долларов, созданные из дорогих сплавов редкоземельных элементов, которые используются на Международной Космической Станции — могут превратить в электрический ток только 46% от солнечной энергии, и это при идеальных условиях. Обычно эта цифра намного меньше. Вернемся обратно на Землю: дешевые фотоэлектронные приборы на кремниевой основе могут переработать от 15 до 20 процентов.

Способы хранения избытка энергии, чтобы ею можно было пользоваться в темное время суток сейчас крайне нужны. Отчасти потому, что ее можно использовать только тогда, когда она образуется, поэтому этот практически неограниченный ресурс делает маленький вклад среди всех систем возобновляемых источников, оставаясь при этом почти в 20 раз дороже, за использование ископаемого топлива (диаграмма ниже ).

Солнечная энергия — дорогая и неэффективная, даже по сравнению с другими источниками возобновляемой энергии. Возможно, изменив принцип сбора, удастся сдвинуть и эту точку. По вертикали: количество электроэнергии, созданной в США за год (МВт/ч). По горизонтали: стоимость в долларах за МВт/час.

Наиболее очевидное решение — аккумуляторы, однако их малая энергетическая плотность вместе с очень высокой ценой системы, которая могла бы обеспечить энергией весь дом (к тому же, их необходимо заменять каждые несколько лет), делает этот вариант доступен только для богатых. Лучший способ накапливать солнечную энергию, это использовать ее для создания водорода. Химические связи этого элемента имеют большую мощность, сохраняя в 170 раз больше энергии на килограмм веса, чем обычные литий-ионные батарейки. Кроме того, водород имеет очень много способов использования, стоит лишь получить его. Поместите этот газ в топливный элемент и получите электричество по требованию, сочетая его с кислородом; смешайте с моноксидом углерода — будите иметь метаноловое биотопливо; если хранить надлежащим образом, то можно даже сжигать, как любой другой топливный газ.

Самый простой способ преобразовать полученную энергию от фотоэлементов на водород — это использовать эту энергию для электролиза. Этот процесс разделяет воду — H2O — на водород и кислород. Просто, но неэффективно. Из незначительных 15% солнечной энергии, которую способны выхватить стандартные солнечные панели, почти тридцать теряется при конверсии. Когда вы справитесь с заданием, то поймете, что лучше бы выбрали аккумуляторы.

Энергия из воды

Лучшим вариантом было бы найти какой-то дешевый электропроводящий материал, который может обойти фотоэлементы в целом и использовать непосредственно фотоны для электролиза воды и создания водорода.

Для того, чтобы материал электролизировал воду напрямую, он должен испускать электроны соответствующей энергии после удара фотоном. Когда электроны становятся достаточно возбужденными и могут покинуть материал, они оставляют после себя промежутки — дырки. Чтобы заполнить эти дыры, молекула воды отдает один из своих собственных электронов. Таким образом электроны и дырки сотрудничают для окисления воды и превращения ее на водород и кислород.

Кремний — это не тот материал, который можно было бы использовать в этом деле, его электроны не имеют соответствующей энергии. Всем материалам необходима иная, точно определенное количество энергии для того, чтобы их электроны выпрыгнули на свободу от атомов. Атомам кремния нужно лишь 1,11 электронвольт, чтобы потерять электрон — однако для разделения воды нужны электроны по крайней мере в 1,23 эВ.

Соответствующие материалы можно сделать из различных экзотических компонентов. Так, например, сочетая кристаллы селенида цинка и сульфида кадмия с помощью платинового катализатора, инженеры из Университета Боулинг Грин Стейт (Bowling Green State University) в Огайо смогли высвободить именно такие электроны . Однако сложный процесс и редкие материалы, из которых состоит прибор, позволяют ему работать в лаборатории, но могут помешать при выходе на рынок.

Поэтому исследователи вновь обратились к ржавчине. Отличные энергетические показатели электронов оксида железа — 2,1 эВ — это даже не самая веская причина заниматься этим веществом, на которую часто клевещут. Ржавчина — нетоксична и, в буквальном смысле, дешевле грязи. Более того, она встречается на каждом шагу и в невероятных количествах. Редкоземельные элементы не просто дорогие и токсичные; сам путь получения политически непредсказуемым. Исследователи говорят об их наличии так же, как обычные люди — о предстоящих колебания нефти. Когда недавно Китай приостановил экспорт неодима, пострадали целые отрасли промышленности, от производства моторов машин к магнитам . С оксидом железа такой проблемы не будет. «Никто не контролирует ржавчину», — говорит Клаус Гелгардт (Klaus Hellgardt), работающий над созданием водорода с помощью оксида железа в Имперском колледже в Лондоне.

Устойчив к ржавчине

Очень важна также стабильность. Многие материалы деформируются при коррозионных эффектах разделения воды, однако оксид железа можно использовать почти год (а некоторые считают, что и больше), поскольку, по словам Гелгардта, «вряд ли он проржавеет».

Хотя свойства этого материала в преобразовании солнечной энергии в водород и не лучшие в мире — недавние исследования указывают на теоретический предел в 16,8% — его явно более чем достаточное количество переходит в качество.

Однако у этой «золушки» до сих пор нет «принца с туфелькой». «Сейчас она работает не очень хорошо, — говорит Нейт Льюис (Nate Lewis) из Калифорнийского технологического института в Пасадене. — Не значит, что мы не сможем заставить ее работать лучше».

Тот факт, что у ржавчины есть необходимые свойства, чтобы электролизировать воду не означает, что она способна делать это самостоятельно. Поэтому большинство исследователей ржавчины последнего десятилетия крутились вокруг вопроса, как направить ее электроны в воду.

Первой проблемой, которую пришлось решить, была именно та, которая в 1975 загнала в угол Харди и Барда. Оксид железа не очень хорошо проводит ток, т.е. он не может самостоятельно отправить электроны на тот край, где они будут более полезны. Им нужен дополнительный толчок. Одним из способов сделать это — получить дополнительную солнечную энергию от прибора, который называется каскадным элементом. В 1991 году, Майкл Гратцель (Michael Grätzel), инженер Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) использовал тонкий слой оксида титана окрашенного для увеличения абсорбции фотонов, чтобы создать электрический ток без кремния. Направив полученный ток на ржавчину, которая находилась снизу, исследователи смогли получить правильные электроны, чтобы провести электролиз воды (Nature, vol 353, p 737).

Прибор Гратцеля имел беспрецедентную эффективность в 4%. Однако он требовал два дополнительных каскадных элемента. Избыток энергии требуется для того, чтобы заставить электроны перейти на более высокий энергетический уровень. Без этого ржавчина засосет электроны обратно в свою кристаллическую решетку, прежде чем они смогут освободиться.

Единственным решением было бы сделать слой ржавчины достаточно тонким, чтобы электроны могли убежать — в несколько десятков нанометров. В 1975 году, и даже в начале 1990-х это было невозможно. Однако, с приходом XXI века нанотехнологии сделали большой шаг вперед, ученые получили возможность работать с физической структурой материалов — и в результате имеем несколько удивительно элегантных решений.

Джордан Кац (Jordan Katz) из Университета Денсион (Denison University) в Огайо, создал тонкий наружный слой, содержащий стержни ржавчины шириной в несколько нанометров. Такая малая толщина обеспечивала большую площадь поверхности прибора, позволяя воде проходить в нано-щели между стержнями. Таким образом, электроны и дырки могли покинуть материал и встретиться с близлежащей водой. Однако Кац говорит, что он еще далек от того, чтобы материал получил товарную эффективность.

Исследователи из EPFL нашли способ достичь этого. Для того, чтобы помочь электронам покидать материал, Кевин Сивула (Kevin Sivula) создал наноиржу, используя метод распыления железосодержащего раствора на поверхность. Такой метод заставлял окись железа вырастать в микроскопические «дерева», похожие по форме на подсолнухи, создавая что-то вроде фрактальной поверхности, которая позволяла электронам высвобождаться, но оставалась при этом пригодной к массовому производству.

В прошлом году группа Сивулы создала рабочий прибор, не использовав ничего, дороже за стекло. Имея эффективность в 3,6%, этот прибор мог конкурировать с прибором Гратцеля, однако не требовал дополнительных каскадных элементов (Nature Photonics, vol 6, p 824). И Сивула говорит, что может довести эффективность до 10 % за пару лет.

Однако на пути к его цели может стать другая проблема — слишком тонкий слой ржавчины. Общее противоречие в случае любого материала для электролиза состоит в том, что он должен быть одновременно как можно толще и тоньше. Лучше тоньше, если вам нужно, чтобы в ваших электронов был шанс на выход. Однако для того, чтобы получить больше фотонов, слой ржавчины должно быть толстым. 20 нм ржавчины выхватывают лишь 18% от всех возможных фотонов. Если толщину увеличить до 1мкм, то уловлено будет все — но они застрянут.

Для того, чтобы решить этот вопрос, Авнер Ротшильд (Avner Rothschild) и его команда из израильского Техниона обратились к квантовой физики. В их приборе со светом работают 30-нанометровые пленки ржавчины. Когда фотоны попадают на этот прибор, они вынуждены отбиваться от противопоставленных зеркал в форме буквы V в особых ячейках, пока их не поглотит поверхность. Более того, интерференция волн света, продолжает расходиться вдоль и поперек улучшает поглощение, особенно неподалеку от поверхности пленки. Электроны и дырки легко достигают поверхности до того, как происходит рекомбинация. Благодаря этому, прибор может поглотить 71% всех фотонов, однако он достаточно тонкий, чтобы электроны могли из него выйти, что приводит к теоретической эффективности прибора в 4,9% ( Nature Materials, in press ).

Это впечатляет, учитывая низкие стандарты окиси железа, однако это не совсем коммерческий продукт — или нет?

И тут наконец мы подошли к действительно сильной точки ржавчины и как она может однажды превзойти кремний, несмотря на ее достаточно небольшую эффективность. Даже если она и не достигнет никогда максимума кремния в 16%, говорит Сивула, ржавчина настолько дешевая, что вы можете делать с ней огромные плоскости — именно это планирует он и другие ученые. «В конце концов, нас интересует не просто эффективность, а цена за ватт», — говорит Кац. Также эффективность в 10 % «за правильную цену», говорит он, может побить 50% эффективности фотоэлектрических элементов, поскольку ржавчину можно будет нанести на любую поверхность.

И исключительно это и является конечной целью. Сивула считает, что его «подсолнечной» железной смесью можно будет покрыть что-то вроде обоев, печатая листы солнечных батарей, которые смогут создавать водород в любом месте и в любое время. Одинокие дома в пустыне станут отличными домами, а для электролиза можно брать сточную воду.

Водородная проблема

На самом деле перед тем, как эти мечты можно воплотить в жизнь, нужно решить еще несколько задач. Например, как только вода разделилась на атомы, «фактически создается бомба», говорит Гелгардт, поскольку кислород и водород способны к взрывным реакциям. Мягкий, но не менее неприятный результат — кислород и водород вновь соединятся в воду, немного теплее от начальной.

Разделить два газа просто. В элементе Сивулы, например, мембрана притягивает кислород и водород по-разному, позволяя им высвобождаться отдельно друг от друга. Гелгардт имеет другую идею: если вы не планируете использовать кислород, зачем его создавать? В дизайне ученого для поглощения кислорода используется низкосортная сточная вода. Вместо превращаться в газ, он реагирует с органическими составляющими в воде, позволяя водороду беспрепятственно выходить из резервуара.

И вот мы подошли к последнему пункту «ржавой солнечной энергии»: хотя она и может преобразовывать солнечную энергию в водород, с водородом возникают отдельные проблемы. Этот газ очень трудно сохранять, потому к материалу контейнеров существует много ограничений: он не должен ржаветь или взрываться. И действительно, именно об эту проблему споткнулись все выгоды водородной экономики.

Исследователи работали над целой пачкой решений указанной проблемы. Наряду с постоянным улучшением топливных элементов , разрабатывается и ряд новых подходов. Например, исследователи из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии недавно использовали для сохранения наночастицы натрийборгидриту. Обычно эту соль нужно нагреть до 550°C, чтобы она освободила водород, содержащийся в ее связях, однако в наночастицах он способен на такое уже при 50°C. Это довольно многообещающая разработка для портативного водорода в различных масштабах .

Многообещающая, но не обязательно необходима. Простые канистры с водородом, которые хранятся в нужном месте и используются для обычного костра — тоже интересное решение. Именно это директор Stored Solar Брайан Холкрофт (Brian Holcroft) видит как непосредственную нишу в таких странах, как Кения, где солнца много, а энергетическая инфраструктура оставляет желать лучшего. Он сотрудничал с EPFL по использованию установок из оксида железа и каскадных элементов своей компанией, которая специализируется на автономных решениях в области энергетики. Он хочет видеть такие приборы на крышах и в развитых странах мира, чтобы их хозяева могли получать электричество и водородное топливо автономно.

И, возможно, не понадобятся и каскадные элементы. Сосредоточена работа по принудительному расщепления воды электронами ржавчины может привести мечту Харди и Барда, стоящий у истока этой истории, из прошлого в будущее: к прибору, где соединяются ржавчина и фотоэлектроника, хотя и неэффективного, однако оснащенного прибором для хранения энергии.

«Если вас не волнует эффективность, то «ржавый» элемент может работать как для создания отдельно топлива и отдельно электричества, так и для создания обоих одновременно, — говорит Кац. — Он может создавать электричество днем, когда электрический ток очень нужен, и создавать топливо тогда, когда потребности в токе не такие высокие». Учитывая экономические реалии солнечной энергии, слабенький электрический ток, Харди и Бард сумели уловить в 1975 когда-то может стать источником возобновляемой энергии для всей планеты. Возможно, приходит День Ржавчины.

 

Автор: Наоми Лабик
Источник: New Scientist

Оставить комментарий

Дизайнерская одежда Грейс Чэнь: сочетание двух культур

Дизайнерская одежда Грейс Чэнь: сочетание двух культур

Собака – друг. Как выбрать лучшего

Секционные ворота для гаража — выбор вида

Основные задачи сотрудников МВД на текущий год: из отчета Алексея Анатольевича Кристелева

Мембранные изоляционные материалы

Почему положительные отзывы и рейтинг на Авито так важны для покупателей?

Fotona – медицинский лазер. Встреча настоящего и будущего

Прежде чем доверить, надо бы проверить

Недорогие матрасы с синтетическим наполнителем – идеальное решение для тех, кто хочет сэкономить

Сладкие подарки на НГ от компании Яшкино — Мир Новогодних подарков

Постельное бельё. История и современность

Что делать летом? Отдыхать и вставлять зубы

Шашлык как искусство – быстро и вкусно

Новые возможности активного отдыха

Что нужно для комфорта малышу

Курорты Черного моря: Топ-12

Вино и здоровье. Шаткое соседство

Спиртные напитки. История и влияние на организм человека

Крипта-2022. Куда вложить

Возможности современной звукозаписи

Как устроить детский праздник с аниматором

© 2012-2022 "Путь Востока" Яндекс.Метрика