סיקור מקיף

אנטנה חדשנית לקליטת אנרגיה מהשמש

מהנדסי כימיה מאוניברסיטת MIT הצליחו למצוא שיטה לריכוז אנרגית קרינת השמש באמצעות ננו-צינורות פחמן בשיעור של פי מאה יותר מתאים פוטווולטאים רגילים. ננו-צינורות כאלו יוכלו ליצור אנטנות אשר ילכדו וירכזו את אנרגית האור, ויוכלו לאפשר פיתוח של מערכים סולאריים קטנים ויעילים יותר.

נימה זו, המכילה כ 30 מיליון ננו צינוריות פחמן, קולטת אנרגית פוטונים מהשמש ואז פולטת אותה כפוטונים פחות אנרגטיים.
נימה זו, המכילה כ 30 מיליון ננו צינוריות פחמן, קולטת אנרגית פוטונים מהשמש ואז פולטת אותה כפוטונים פחות אנרגטיים.

"במקום שכל הגג שלך יכיל תאים פוטווולטאים (לוחות סולאריים), תוכל לפזר נקודות קטנות המהוות בעצמן תאים פוטווולטאים, כאשר אנטנות מובילות לתוכן פוטונים מקרינת השמש," אמר Michael Strano, פרופסור להנדסה כימית אשר הוביל את המחקר. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Nature Materials.

האנטנות החדשניות של החוקרים תוכלנה לשמש גם עבור יישומים אחרים שבהם נדרש מיקוד של אור, כגון טלסקופים או אמצעים לראיית לילה.

לוחות סולאריים מייצרים חשמל באמצעות המרה של פוטונים (יחידות של אנרגית אור) לזרם חשמלי. אנטנת הננו-צינורות החדשנית מגבירה משמעותית את מספר הפוטונים הניתנים לקליטה ואת כמות האור המומרת לאנרגיה הניתנת לניתוב לתא סולארי.

האנטנה מורכבת מחבל סיבי באורך של עשרה מיקרומטרים ובעובי של ארבעה מיקרומטרים, המכיל כשלושים מיליוני ננו-צינורות פחמן. צוות המחקר יצר, לראשונה אי-פעם, סיב המורכב משתי שכבות של ננו-צינורות בעלות תכונות אלקטרוניות שונות – במיוחד, פערי פסים (אנרגיות) שונים.

בכל חומר שהוא, האלקטרונים יכולים להיות ברמות אנרגיה שונות. כאשר פוטון (אנרגית אור) פוגע במשטח, הוא גורם לעירור של אלקטרון ול"הקפצתו" לרמה אנרגטית גבוהה יותר, הייחודית לכל חומר וחומר. יחסי-הגומלין שבין האלקטרון שספג לתוכו יתרת אנרגיה לבין ה"חור" שהוא השאיר מאחוריו ב"דילוג" זה קרויים "אקסיטון" (exciton ,הערך בוויקיפדיה), והבדל האנרגיות שבין החור לבין האלקטרון ידוע כפער פסים (bandgap).

השכבה הפנימית של האנטנה מכילה ננו-צינורות בעלי פער-פסים קטן, וננו-הצינורות המצויים בשכבה החיצונית הם בעלי פער-פסים גבוה יותר. עובדה זו חשובה מאחר ואקסיטונים נוטים לזרום ממצב של אנרגיה גבוהה לאנרגיה נמוכה. במקרה זה, המשמעות היא שהאקסיטונים שבשכבה החיצונית זורמים לשכבה הפנימית, שבה הם יכולים להתקיים במצב אנרגטי נמוך יותר (אך עדיין מצב מעורר).

כתוצאה מכך, כאשר אנרגית אור פוגעת בחומר, כל האקסיטונים זורמים למרכז הסיב, שם הם עוברים מיקוד וריכוז. החוקרים עדיין לא בנו התקן פוטווולטאי באמצעות האנטנה החדשנית, אך הם מתכננים לעשות כן. בהתקן שכזה, האנטנה תרכז את הפוטונים לפני שהתא הפוטוולטאי ממיר אותם לזרם חשמלי. הדבר יתאפשר בעקבות בניית האנטנה מסביב לליבה של חומר מוליך-למחצה.

הממשק שבין המוליך-למחצה לבין ננו-הצינורות יביא להפרדת האלקטרון מהחור שלו, כאשר אלקטרונים נאספים באלקטרודה אחת המחוברת למוליך-למחצה הפנימי וחורים נאספים לאלקטרודה השנייה המחוברת לננו-הצינורות. במערך שכזה, ההתקן יוכל ליצור זרם חשמלי. לדברי החוקרים, היעילות של תא סולארי כזה תהיה תלויה בסוג החומרים המשמשים לבניית האלקטרודות.

צוות מחקר זה הינו הראשון שהצליח להכין סיבי ננו-צינורות שניתן לשלוט בתכונותיהן של שכבות שונות המצויות בהם, הישג שהפך אפשרי בזכות התקדמות עכשווית בשיטות להפרדת ננו-צינורות בעלי תכונות שונות.

בעוד שמחירם של ננו-הצינורות היה המגבלה העיקרית בעבר, בשנים האחרונות עלותם הולכת ופוחתת ככל שחברות כימיות מנצלות את יכולת הייצור שלהן. "בנקודת זמן בעתיד הלא הרחוק, מחירם של ננו-צינורות פחמן יהיה כשל חומרים פולימריים הנמכרים היום," מציין החוקר הראשי. "בעלות שכזו, התוספת שלהם לתא סולארי תהפוך לזניחה כלכלית בהשוואה לעלות הייצור עצמה וחומרי-הגלם של התא עצמו, בדיוק כפי שהיום ציפוי בפולימרים ורכיבי-פולימרים מהווים חלק קטן ביותר בעלות התא הפוטוולוטאי."

צוות המחקר עובד עכשיו על מציאת דרכים למזעור אובדני האנרגיה בזרימה של האקסיטונים דרך הסיב, ועל דרכים ליצור יותר מאקסיטון אחד לכל פוטון.

הידיעה מהאוניברסיטה

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

12 תגובות

  1. מיכאל,
    אכן כן, אני מדבר על שאיבת אנרגיית חום מהאטמוספרה והפיכתה לאנרגיה מכנית או חשמלית זמינה.
    באופן חלקי הנושא מיושם במשאבות חום כפי שכבר הסברתי, ומה שאני מציע זה בעצם ניצול הנושא והפיכת האנרגיה לאנרגיה מכנית או חשמלית.
    הנושא של משאבות חום עובד, מוכר ויש לו הוכחות בשטח.

  2. יוסי:
    הבנתי שאתה מציע לשאוב אנרגיית חום מאטמוספרה שמלכתחילה אין בה הפרשי טמפרטורה.
    זה מה שמשפט קרנו אומר שאינו ניתן לביצוע.
    אבל אינני מתכוון להתווכח – הרי לא פירטת את הדברים ברמה שמאפשרת להתייחס לפרטים.

  3. מיכאל,
    אם כך אז לא הבנתה את הרעיון, כתוצאה מהתהליך נוצרים הפרשי טמפרטורה שמאפשרים קליטת אנרגיה מהסביבה הקרובה.
    כול חוקי התרמודינמיקה נשמרים.
    המערכת הכי קרובה לזה היא משאבת חום שבה אתה מפיק יותר אנרגיית חימום מאשר אנרגיה חשמלית המושקעת בתהליך.
    ופה הייחודיות שבנושא עם גלגול קדימה ובמקום להפיק חום אני מפיק אנרגיה מכאנית או חשמלית

  4. יוסי:
    אין ברעיון שלך שום דבר רע מלבד הפרת חוקי התרמודינאמיקה.
    ראיתי שאתה מפרסם את הרעיון כבר זמן רב ואינני מתפלא על כך שאתה עדיין מחפש משקיע.

  5. אין צורך בפיתוח מתקנים או מצברים לאגירת אנרגיה. אטמוספרת כדור הארץ בעצמה היא מצבר אנרגיה גדול שצריך וניתן לנצל. מערכת להפקת אנרגיה מהחום האגור באטמוספרת כדור הארץ המיזם יכולה לחולל מהפך בשוק האנרגיה העולמית. מדובר במיזם להפקת אנרגיה ירוקה אמיתית מהחום האגור באטמוספרת כדור הארץ, אטמוספרת כדור הארץ היא למעשה מצבר האנרגיה הגדול ביותר שקיים. אין צורך לפתחו אלא רק לנצל אותו לטובתנו, הוא זמין לאורך כול שעות היממה ולא תלוי ישירות במזג האוויר היות וגם בטמפרטורות שהן נמוכות במיוחד ובאזורים קרים במיוחד האוויר עדיין טעון באנרגית חום יחסית כמו כול גוף או חומר אחר. מדובר במערכת אלקטרו מכאנית שיודעת להמיר את החום האגור באטמוספרת כדור הארץ לאנרגיה חשמלית או מכאנית ואינה תלויה בחומרי דלק מסוגים שונים. המערכת יכולה להיות קטנה ואישית, לבית, לבניין, למפעל, וכתחנת כוח ולמערכת זו ישנם גם בונוסים נוספים. – המערכת אינה גורמת להתחממות סביבתה הקרובה אלא להפך. בזה שהיא סופגת אנרגית חום מהסביבה היא גורמת להתקררותה או למיתון קצב עלית הטמפרטורה הטבעית. – כתוצר לוואי של המערכת היא יכולה לשמש כמקור קור למערכות מיזוג או קירור שישולבו איתה בבתים או מבנים ויחסכו אנרגיה רבה של מיזוג בנוסף על הפקת האנרגיה החשמלית או המכאנית. המערכת אינה תופסת שטח גדול כמו מערכות אחרות וניתן לשלבה ולהצניע אותה בתוך מבנים או כחלק ממבנה שניבנה או קיים. אין צורך באנרגיה המושקעת בפיתוח מקורות אנרגיה אחרים והובלתם כדוגמת אנרגיות מינרלים או דלק ביולוגי שמצריך בנוסף גם שדות לגידול וזה על חשבון יערות וגידול מזון. המערכת מפיקה אנרגיה לכול אורך שעות היממה מבלי תלות באור, חושך רוח או מזג אוויר ויכולה להיות ממוקמת כמעט בכול מקום על פני כדור הארץ. פיתוח נוסף של המערכת יכול לשלבה בכלי תחבורה יבשתיים למיניהם, ימיים ואף אוויריים.

    על פניו וככול שזה ניראה למערכת מסוג זה יש את כול היתרונות שאנחנו מחפשים מאנרגיה ירוקה. פרטים נוספים ניתן לראות באתר: http://www.webix.name/greenenergy

    קצת על הבסיס הפילוסופי מדעי של המיזם :

    כיום רוב מערכות הפקת האנרגיה מבוססות על ההנחה הבסיסית הנכונה שכדי להפיק אנרגיה אנחנו צריכים הפרש פוטנציאלים של לחץ/גובה וחום, כאשר ישנה מוסכמה שכדי להשיג זאת צריך מקור חום שהטמפרטורה שלו גבוהה מהסביבה או יצירת מקור כזה על ידי שריפה של דלקים או בביקוע גרעיני. בכול הדרכים הירוקות האמיתיות והידועות אנחנו מנצלים את הפרשי הלחצים על פני כדור הארץ כדי ליצר אנרגיה בטורבינות רוח או ניצול מפלי מים כול עוד שיש לנו זרימת מים, ואנרגית חימום שמש .בחלק מהמיתקנים ובחלק אחר של המתקנים אנחנו מנצלים תופעות פיסיקליות אחרות. הדרכים הירוקות להפקת אנרגיה אינן חדשות או פורצות דרך והבסיס המדעי שלהן ידוע זמן רב אבל או שהן מוגבלות ביכולת שלהן להפיק אנרגיה או שאינן זמינות לאורך כול היממה או עונות השנה. מה גם שתהליך הפקתם יקר יחסית ואינן עומדות ביפני עצמן וכעובדה הן צריכות סובסידיה ממשלתית כדי שיהיו כדאיות כלכלית למשקיע.

    לאחר שהבהרנו את האפשרויות הקימות ומבלי לזלזל בחידושים ובפיתוחים לאפשרויות אלו עדיין הן פתרונות מוגבלות ויקרות מידי .יש להמשיך ולפתח אותן ולנסות להפיק מהן את המקסימום אבל לא צריך להתרכז רק בהן .צריך כול הזמן לשאול האם ישנן דרכים אחרות שניתן להפיק מהן אנרגיה שתהיה ירוקה זמינה וגם זולה יחסית. ישנה מערכת מסוימת שבאה דווקא מעולם המיזוג ומפיקה אנרגיה של פי שלוש ויותר מהאנרגיה המושקעת בה והיא נקראת משאבת חום, משאבת חום או מזגן במחזור חימום מפיקים יותר אנרגית חום מזו המושקעת בדרך כלל כאנרגיה חשמלית להפעלתם, אך פה זה נעצר והטכנולוגיה הקיימת לא מפיקה מעובדה זו אנרגיה חשמלית או מכאנית. כאן המקום לשאול את השאלה האם ניתן להפיק אנרגיה רק בין פוטנציאל גבוהה לנמוך או שניתן גם להפיק אנרגיה מפוטנציאל נמוך לגבוהה או ליתר דיוק האם ניתן ליצר הפרש פוטנציאלים לא רק כתוצאה של חימום אלא גם כתוצאה של קירור. התשובה היא כן אנחנו יכולים. ההתמודדות עם השאלה הביא לרעיון יוצא דופן וחריג שבו בדרכים אלקטרו מכאניים אנחנו שואבים חום מהסביבה, הופכים אותו לאנרגיה מכאנית או חשמלית וזאת מבלי להשקיע אנרגיה ממקור חיצוני, המערכת מסוגלת להפיק מספיק אנרגיה להפעלתה ולספק אנרגיה עודפת נוספת לצריכה כללית.

  6. בכמה זמן יכולים החוקרים להביא את המחקר לביצוע תעשייתי. או מתי אוכל להרכיב את האנטנה על גג ביתי

  7. כתוב באופן שלא מקל על הקורא להבין. אבל נשמע מעניין. המבנה הגדול והאופי שלו הם ששולטים בהתנהגויות כוואנטיות. זו תובנה יפה שראוי ליישם.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

לוגו אתר הידען
דילוג לתוכן