Vedci zbúrali fyzikálne limity: Postavili solárny systém z dreva, premieňa svetlo na energiu

Solárna energia patrí medzi najperspektívnejšie zdroje budúcnosti. Stále ju však limituje jeden zásadný problém: jej dostupnosť je viazaná na slnečné žiarenie. Ak slnko zapadne, výroba elektriny sa zastaví. Aj tie najefektívnejšie fotovoltické systémy narážajú na túto fyzikálnu realitu. Vedci sa preto dlhodobo snažia nájsť spôsob, ako energiu zo slnka efektívne ukladať a využívať ju aj po zotmení.

Jedným z riešení je premena slnečného žiarenia na teplo a jeho následné uchovanie. Problémom však zostáva efektivita. Väčšina doterajších technológií stavia na vrstvení rôznych materiálov, kde každý plní inú funkciu; jeden absorbuje svetlo, ďalší ukladá teplo a iný systém chráni. Na rozhraní týchto vrstiev však dochádza k stratám energie, čo znižuje celkový výkon.

Vedci teraz prichádzajú s radikálne odlišným prístupom. Namiesto skladania viacerých materiálov vytvorili jeden komplexný systém, a to z niečoho tak obyčajného, ako je drevo. Konkrétne siahli po balze, no nie kvôli jej pevnosti, ale unikátnej vnútornej štruktúre. Na tému upozornil portál Interesting Engineering.

Na mikroskopickej úrovni totiž balza pripomína zväzok usporiadaných mikrokanálov s priemerom približne 20 až 50 mikrometrov. Práve tieto kanály sa ukázali ako ideálny základ pre vedenie tepla a uchovávanie funkčných materiálov. Výskumníci tak využili samotnú prírodu ako hotovú architektúru pre pokročilý energetický systém.

„Naša práca predstavuje škálovateľnú a ekologickú platformu založenú na dreve pre pokročilé získavanie solárnej tepelnej energie,“ uvádzajú autori výskumu.

Drevo však v prirodzenom stave nie je vhodné na takéto využitie. Odráža časť svetla a absorbuje vodu. Vedci preto pristúpili k procesu delignifikácie, pri ktorom odstránili lignín, teda zložku zodpovednú za farbu a pevnosť dreva. Výsledkom bola extrémne porézna štruktúra s viac ako 93-percentnou pórovitosťou, ktorá odkryla hustú sieť reaktívnych povrchov.

Premena dreva na high-tech materiál

Takto upravené drevo následne vedci chemicky modifikovali. Vnútorné steny kanálov pokryli ultratenkými vrstvami čierneho fosforénu, materiálu schopného absorbovať slnečné žiarenie naprieč ultrafialovým, viditeľným aj infračerveným spektrom a efektívne ho premieňať na teplo.

Na rozdiel od uhlíkových materiálov má fosforén aj prirodzené protipožiarne vlastnosti, no jeho slabinou je rýchla degradácia na vzduchu.

Tento problém vyriešili ochrannou vrstvou z kyseliny trieslovej a iónov železa. Vzniknutá sieť funguje ako molekulárny štít, ktorý bráni oxidácii a zároveň zlepšuje absorpciu svetla. Materiál si pritom zachoval stabilitu aj po 150 dňoch vystavenia slnečnému žiareniu.

Gemini

Následne vedci pridali strieborné nanočastice, ktoré zosilňujú interakciu so svetlom prostredníctvom plazmonických efektov. Povrch upravili dlhými uhlíkovými reťazcami, čím dosiahli extrémnu vodoodpudivosť. Kvapky vody sa na ňom jednoducho neudržia, čo je kľúčové pre reálne nasadenie v exteriéri.

Do pripravených mikrokanálov potom vložili kyselinu stearovú, biologicky odbúrateľný materiál schopný meniť skupenstvo. Pri zahriatí sa roztaví a uloží energiu, pri ochladení ju opäť uvoľní.

Elektrina aj po západe slnka

Výsledný systém dosahuje mimoriadne parametre. Dokáže uložiť približne 175 kJ tepla na kilogram materiálu a premieňa až 91,27 percent dopadajúcej slnečnej energie na využiteľné teplo. Vďaka prirodzenej štruktúre dreva vedie teplo takmer štyrikrát efektívnejšie v pozdĺžnom smere.

Kľúčové však je, že systém dokáže generovať elektrinu aj bez priameho slnečného žiarenia. V kombinácii s termoelektrickým generátorom vytvára napätie až 0,65 V pri štandardnom osvetlení.

„Ako dôkaz konceptu sme demonštrovali stabilnú premenu solárnej energie na tepelnú a elektrickú s výstupným napätím až 0,65 V pri ožiarení jedným slnkom,“ uvádzajú vedci.

Gemini

Princíp je jednoduchý. Počas dňa materiál absorbuje slnečné žiarenie a ukladá energiu vo forme tepla. Po zotmení sa teplo postupne uvoľňuje, čím udržiava teplotný rozdiel potrebný na výrobu elektriny.

Materiál zároveň preukázal vysokú odolnosť. Po stovke cyklov zahrievania a ochladzovania nedošlo k výraznému poklesu výkonu. Je nehorľavý, dokáže sa sám uhasiť v priebehu dvoch minút a jeho antimikrobiálny povrch bráni rastu baktérií.

„Náš návrh integruje protipožiarne vlastnosti, superhydrofóbnosť a antimikrobiálnu aktivitu, čím minimalizuje usadzovanie prachu a mikroorganizmov, ktoré by inak zhoršovali výkon v exteriéri,“ dodávajú autori.

Budúcnosť energetiky ukrytá v dreve

Tento výskum naznačuje nový smer vo vývoji energetických technológií. Drevo už nie je len pasívnou konštrukciou, ale aktívnym prvkom, ktorý dokáže absorbovať, ukladať aj distribuovať energiu. Navyše ide o ekologický a potenciálne lacný materiál.

Zaujímavé je, že výskumníci sa vyhli vysokoteplotnej karbonizácii, čím zachovali chemické vlastnosti dreva a otvorili priestor pre ďalšie úpravy. Podobné princípy by tak mohli nájsť uplatnenie aj mimo energetiky, napríklad pri chladení elektroniky, v stavebníctve či v autonómnych energetických systémoch mimo elektrickej siete.

Najväčšou výzvou teraz zostáva škálovanie výroby a praktické nasadenie. Ak sa to podarí, drevo by sa mohlo stať základom novej generácie solárnych systémov, ktoré budú nielen vyrábať energiu, ale ju aj inteligentne ukladať a spravovať bez potreby zložitých externých riešení.

Čítajte viac z kategórie: Novinky