חומרים שיכולים לחולל מהפכה באופן בו רתמים את האור לאנרגיה סולארית

אנרגיה סולארית, קרינה מהשמש המסוגלת לייצר חום, לגרום לתגובות כימיות או לייצר חשמל. הסכום הכולל של אירוע אנרגיה סולארית בכדור הארץ עולה בהרבה על דרישות האנרגיה הנוכחיות והצפויות בעולם. אם הרתמה מתאימה, למקור זה מפוזר מאוד יש פוטנציאל לספק את כל צורכי האנרגיה העתידית. במאה ה -21 אנרגיה סולארית צפויה להפוך לאטרקטיבית יותר ויותר כמקור אנרגיה מתחדשת בגלל אספקתה הבלתי נדלית ואופייה הבלתי מזהם, בניגוד גמור לפחם, נפט וגז טבעי מאובנים סופיים.

השמש היא מקור אנרגיה חזק במיוחד, ואור השמש הוא ללא ספק מקור האנרגיה הגדול ביותר שמקבלת כדור הארץ, אך למעשה עוצמתו על פני כדור הארץ למעשה נמוכה למדי. זה בעיקרו בגלל ההתפשטות הרדיאלית העצומה של הקרינה מהשמש הרחוקה. אובדן נוסף יחסית קטן נובע מהאטמוספרה והעננים של כדור הארץ, הסופגים או מפזרים עד 54 אחוז מאור השמש הנכנס. אור השמש המגיע לקרקע מורכב מכמעט 50 אחוז אור גלוי, 45 אחוז קרינה אינפרא אדום וכמויות קטנות יותר של אולטרה סגול וצורות אחרות של קרינה אלקטרומגנטית.

שימושים באנרגיה סולארית
הפוטנציאל לאנרגיה סולארית הוא עצום, מכיוון שכ -200,000 פעמים כושר הייצור החשמלי היומי הכולל של העולם מתקבל על ידי כדור הארץ בכל יום בצורה של אנרגיה סולארית. לרוע המזל, אף על פי שאנרגיית השמש עצמה חופשית, העלות הגבוהה לאיסוף, המרה ואחסנה עדיין מגבילה את ניצולה במקומות רבים. קרינה סולארית ניתנת להמרה לאנרגיה תרמית (חום) או לאנרגיה חשמלית, אם כי לראשונה קל יותר להשגה.
אנרגיית תרמית
בין המכשירים הנפוצים ביותר לתפיסת אנרגיה סולארית והמירתה לאנרגיה תרמית הם קולטי צלחות שטוחות המשמשים ליישומי חימום סולארי. מכיוון שעוצמת קרינת השמש על פני כדור הארץ כה נמוכה, על אספנים אלה להיות גדולים בשטח. אפילו בחלקים שטופי שמש באזורים הממוזגים בעולם, למשל, אספן צריך להיות שטח פנים של כ -40 מ”ר כדי לאסוף מספיק אנרגיה שתשרת את צרכי האנרגיה של אדם אחד.
אספני הצלחות השטוחות הנפוצים ביותר מורכבים מפלטת מתכת מושחרת, מכוסה ביריעת זכוכית אחת או שתיים, המחוממת על ידי אור השמש הנופל עליה. לאחר מכן מועבר חום זה לאוויר או למים, המכונים נוזלי נשא, הזורמים על פני החלק האחורי של הצלחת. ניתן להשתמש בחום ישירות, או שהוא יועבר למדיום אחר לאחסון. אספני צלחות שטוחות משמשים לרוב לדודי שמש ולחימום בתים. אגירת חום לשימוש בלילה או בימים מעוננים מתבצעת בדרך כלל על ידי שימוש במכלים מבודדים לאחסון המים המחוממים בתקופות שטופות שמש. מערכת כזו יכולה לספק לבית מים חמים הנשאבים ממכל האחסון, או, כאשר המים המחוממים זורמים דרך צינורות ברצפות ותקרות, היא יכולה לספק חימום במקום. אספני צלחות שטוחות בדרך כלל מחממים נוזלים לנשא לטמפרטורות הנעים בין 66 ל 93 מעלות צלזיוס. היעילות של אספנים כאלה (כלומר, חלק האנרגיה שהתקבלו שהם ממירים לאנרגיה שמישה) נע בין 20 ל- 80 אחוזים, תלוי בעיצוב הקולט.

חוקרים מאוניברסיטת קולומביה פיתחו דרך לרתום יותר כוח מפיצול הסינגלט כדי להגביר את היעילות של תאים סולאריים, ומספקים כלי שיסייע לקדם את פיתוח ההתקנים של הדור הבא.

במחקר שפורסם החודש בכתב העת Nature Chemistry, הצוות מפרט את התכנון של מולקולות אורגניות המסוגלות לייצר שני אקסיטונים לפוטון של אור, תהליך המכונה ביקוע של singlet. האקסיטונים מיוצרים במהירות ויכולים לחיות הרבה יותר זמן מאלה הנוצרים ממקביליהם האורגניים, מה שמוביל להגברה של חשמל שנוצר לפוטון שנספג בתא סולארי.
“פיתחנו כלל עיצוב חדש לחומרי ביקוע של singlet”, אמר לואיס קמפוס, פרופסור חבר לכימיה ואחד משלושה חוקרים ראשיים במחקר. “זה הוביל אותנו לפתח עד היום חומרי ביקוע אינטראמולקולאריים ייחודיים ושימושיים מבחינה טכנולוגית. שיפורים אלה יפתחו את הדלת לתאי שמש יעילים יותר.”
קמפוס הסביר כי כל הפאנלים הסולאריים המודרניים פועלים באותו תהליך – פוטון אחד של אור מייצר אקיטון אחד. לאחר מכן ניתן להמיר את האקסיטון לזרם חשמלי. עם זאת, ישנן כמה מולקולות הניתנות ליישום בתאי שמש שיש להן את היכולת לייצר שני אקסיטונים מפוטון בודד – תהליך הנקרא ביקוע סינגלט. תאים סולאריים אלה מהווים בסיס למכשירים מהדור הבא, שעדיין נמצאים בינקותם. עם זאת, אחד האתגרים הגדולים ביותר בעבודה עם מולקולות כאלה הוא ששני האקסיטונים “חיים” לפרקי זמן קצרים מאוד (עשרות ננו-שניות), מה שמקשה על קצירתם כסוג של חשמל.
במחקר הנוכחי, שמומן בחלקו על ידי משרד המחקר הימי, קמפוס ועמיתיו תכננו מולקולות אורגניות שיכולות לייצר במהירות שני אקסיטונים שחיים הרבה יותר זמן מהמערכות החדישות. מדובר בקידום שאי אפשר להשתמש בו רק בייצור אנרגיה סולארית מהדור הבא, אלא גם בתהליכים פוטו-קטליטיים בכימיה, חיישנים והדמיה, הסביר קמפוס, כי ניתן להשתמש בתרגילים אלה כדי ליזום תגובות כימיות, בהן ניתן להשתמש בהם על ידי התעשייה לייצר תרופות, פלסטיק וסוגים רבים אחרים של כימיקלים צרכניים.
קמפוס אמר כי “ביקוע יחידה אינטרמולקולרית הוכח על ידי הקבוצה שלנו ואחרים, אך האקסיטונים שהתקבלו נוצרו לאט מאוד, או שהם לא היו מחזיקים מעמד זמן רב.” “העבודה הזו היא הראשונה שמראה כי ביקוע של יחידת גומי יכול ליצור במהירות שני אקסיטונים שיכולים לחיות הרבה מאוד זמן. זה פותח את הדלת ללמוד באופן מהותי כיצד האקסיטונים האלה מתנהגים כשהם יושבים על מולקולות בודדות, וגם להבין איך הם יכולים להיות מוכן לעבודה במכשירים המפיקים תועלת מאותות מוגברים לאור. “
אסטרטגיית התכנון של הצוות אמורה גם להיות מועילה בתחומים נפרדים של לימוד מדעי, ויש בה יישומים רבים אחרים שלא ניתן להעלות על הדעת, הוסיף.
מחבריו המשותפים של קמפוס למחקר הם: סמואל סנדרס ואנדרו פון, מאוניברסיטת קולומביה; מתיו י. ספיר, מאוניברסיטת סיטי בניו יורק; ואמיר אסדפורדארוויש מאוניברסיטת ניו סאות ‘ויילס.

Leave a Comment