Μια πρωτοποριακή έρευνα που συνδυάζει laser, μαύρο μέταλλο και αλουμίνιο υπόσχεται να αυξήσει την απόδοση της ηλιακής ενέργειας έως και 15 φορές σε σχέση με τα σημερινά επίπεδα, ανοίγοντας τον δρόμο για μια νέα γενιά πράσινων τεχνολογιών.
Η καινοτομία βασίζεται σε μια τεχνική που αναπτύχθηκε πριν από λίγα χρόνια από τον ειδικό στην οπτική Chunlei Guo, ο οποίος κατάφερε να μετατρέψει γυαλιστερά μέταλλα σε απόλυτα μαύρες επιφάνειες. Το αποτέλεσμα ήταν ένα υλικό ιδανικό για απορρόφηση ηλιακού φωτός, ικανό να μετατρέπει τη θερμική ενέργεια σε ηλεκτρισμό με εντυπωσιακή αποτελεσματικότητα.
Η ερευνητική ομάδα αξιοποίησε το μαύρο μέταλλο για να δημιουργήσει έναν νέο σχεδιασμό ηλιακών θερμοηλεκτρικών γεννητριών, γνωστών ως STEGs. Αυτές οι συσκευές μετατρέπουν διάφορες μορφές θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω του φαινομένου Seebeck, το οποίο βασίζεται στη διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα σε μια «θερμή» και μια «ψυχρή» πλευρά, οι οποίες χωρίζονται από ημιαγώγιμα υλικά.
Παρά την ελπιδοφόρα θεωρία, οι υπάρχουσες STEGs είχαν σημαντικούς περιορισμούς. Η απόδοσή τους στην ηλιακή ενέργεια έφτανε μόλις το 1% της ηλιακής ακτινοβολίας, πολύ χαμηλότερα από το περίπου 20% που προσφέρουν τα οικιακά φωτοβολταϊκά. Για δεκαετίες, οι προσπάθειες βελτίωσης επικεντρώνονταν αποκλειστικά στα ημιαγώγιμα υλικά, με περιορισμένα αποτελέσματα.
Ο Guo, γνωστός για την εφεύρεση της τεχνολογίας μαύρου μετάλλου, αποφάσισε να εστιάσει αλλού: στις ίδιες τις θερμές και ψυχρές επιφάνειες των STEGs. Η νέα του προσέγγιση, που δημοσιεύτηκε στις 12 Αυγούστου στο περιοδικό Light: Science & Applications, περιλαμβάνει τρεις κομβικές τεχνικές κατασκευής, όλες με τη χρήση υπερταχέων femtosecond laser.
Η πρώτη φάση αφορούσε την επεξεργασία του βολφραμίου με εξαιρετικά σύντομους παλμούς laser διάρκειας ενός τετρακισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου για να μετατραπεί σε μαύρο μέταλλο. Με αυτό τον τρόπο, το υλικό σχεδιάστηκε ώστε να απορροφά σχεδόν όλο το ηλιακό φως, περιορίζοντας παράλληλα τις απώλειες θερμότητας.
Στη συνέχεια, η θερμή πλευρά καλύφθηκε με ένα λεπτό φύλλο πλαστικού, δημιουργώντας ένα μικροσκοπικό «θερμοκήπιο» που συγκρατούσε τη θερμότητα με μέγιστη αποδοτικότητα. Τέλος, η ομάδα χρησιμοποίησε ξανά τα ίδια laser για να δημιουργήσει από αλουμίνιο μια ειδική ψύκτρα με νανοδομές, η οποία διπλασίασε την ικανότητα ψύξης της ψυχρής πλευράς.
Για να επιβεβαιώσουν την αποτελεσματικότητα της νέας σχεδίασης, οι ερευνητές πραγματοποίησαν μια απλή δοκιμή: χρησιμοποίησαν τη συσκευή για να τροφοδοτήσουν με ρεύμα ένα LED. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το STEG μπορούσε να φωτίσει το LED στη μέγιστη ένταση ακόμη και σε χαμηλά επίπεδα φωτισμού, αποδεικνύοντας την ανώτερη διαχείριση θερμότητας.
Πέρα από τις εντυπωσιακές επιδόσεις, η συσκευή διαθέτει και πρακτικά πλεονεκτήματα. Είναι μικρή, ελαφριά και εύκολη στην ενσωμάτωση σε φορητές ή απομακρυσμένες εφαρμογές. Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία μικροηλεκτρονικών συστημάτων, όπως αυτόνομοι αισθητήρες για μετεωρολογική παρακολούθηση, γεωργικές εφαρμογές ή «έξυπνες» συσκευές χαμηλής κατανάλωσης.
Η πρόοδος αυτή δεν περιορίζεται μόνο στην αύξηση της αποδοτικότητας. Αν ανοίξει ο δρόμος για μαζική παραγωγή, τέτοιες συσκευές θα μπορούσαν να ενισχύσουν δραστικά την ενεργειακή αυτονομία απομακρυσμένων περιοχών, να μειώσουν την εξάρτηση από μπαταρίες και να δώσουν νέα ώθηση στην υιοθέτηση καθαρών τεχνολογιών.
[via]
