Rugina, calea catre energie solara noaptea?

0
50
Rugina, calea catre energie solara 24x7?
Rugina, calea catre energie solara 24×7?

Solutiile energetice bazate pe energia provenind de la Soare ar putea fi active si pe timpul noptii, cu o mana de ajutor din partea unei substante mult hulite, omniprezenta rugina. Cum ne poate ajuta rugina in producerea de energie curata? Detalii, in continuare.

Cei mai multi ingineri ar fi fost speriati daca ar fi gasit chiar si un pic de rugina pe electrozii lor. Dar Kenneth Hardee si Allen Bard si-au fabricat proprii electrozi in intregime din acest material. In cautarea energiei solare ieftine, cuplul de cercetatori a incercat sa produca curent din cel mai ieftin material pe care l-au putut gasi. Si ei au reusit: expus luminii vizibile, el a produs o cantitate mica, dar decenta de curent.

Acest lucru a avut loc in 1975, atunci cand siliciul devenea senzatia tehnologica a epocii. Eficienta mai mare l-a transformat pe acesta in pilonul celulelor solare fotovoltaice, iar acesta a ramas, de atunci, in fruntea pietei. Mica descoperire de la Universitatea Texas din Austin a cazut in uitare si singurul moment in care cineva s-a gandit la rugina, daca s-a gasit cineva care s-o faca, era atunci cand dorea sa scape de ea.

Dar in ultimii cativa ani, atentia tuturor a inceput sa fie indreptata spre o substanta care, in ciuda opiniei generale, ar putea fi un fel de material minune. Desi oxidul de fier nu poate concura cu eficienta siliciului in ceea ce priveste transformarea energiei solare in electricitate, poate realiza ceva ce siliciul nu poate: poate ajuta la stocarea energiei solare. Umilele particule de rugina ar putea constitui o cale de depasire a uneia dintre cele mai greu de rezolvat probleme ale energiei solare: noaptea.

Cercetarea in domeniul energiei solare s-a centrat, in mod aproape exclusiv, pe eficienta. In fiecare zi, soarele ofera planetei noastre mai multa energie decat am avea nevoie sa consumam intr-un an. Dar colectarea acesteia nu este atat de usoara. Chiar si cea mai buna tehnologie disponibila – panourile solare in valoare de un miliard de dolari, construite din combinatii costisitoare ale metalelor rare, folosite de Statia Spatiala Internationala – poate converti doar 46 la suta din energia solara in electricitate si asta numai in conditii ideale. Cifrele obisnuite sunt mult mai mici. Inapoi pe Pamant, celulele fotovoltaice mai ieftine, bazate pe siliciu, colecteaza intre 15 si 20 la suta.

Modalitati de a stoca energia suplimentara, pentru a fi folosita atunci cand soarele nu straluceste, sunt necesare in mod urgent. Partial datorita faptului ca poate fi folosita doar in momentul in care este generata, aceasta resursa aparent nelimitata contribuie cel mai putin dintre toate sursele de energie regenerabile, ramanand, in acelasi timp, de 20 de ori mai scumpa decat energia produsa de combustibilii fosili.

Bateriile sunt cea mai evidenta solutie, dar densitatea lor scazuta de energie combinata cu pretul ridicat al unui sistem capabil sa furnizeze energie unei intregi case – care ar trebui sa fie inlocuit dupa cativa ani – le transforma intr-o optiune accesibila numai pentru cei bogati. O metoda mult mai eficienta pentru a stoca energia solara este folosind-o pentru producerea de hidrogen. Legaturile chimice ale elementului sunt foarte puternice, stocand de 170 de ori mai multa energie pe kilogram decat bateriile ionice standard. Hidrogenul este, de asemenea, versatil: odata ce l-ai obtinut, il poti folosi in orice mod doresti. Pune-l intr-o pila de combustie si poti genera electricitate atunci cand ai nevoie prin recombinarea lui cu oxigenul; combina-l cu monoxidul de carbon si poate deveni biocombustibil pe baza de metanol; stocat cum trebuie, poate fi chiar ars dupa modelul oricarui alt combustibil gazos.

Cea mai simpla modalitate de a transforma energia din celulele fotovoltaice in hidrogen este prin folosirea acelei energii pentru a rula un electrolizor. Acesta scindeaza apa – H2O – in hidrogen si oxigen. Simplu, probabil, dar si ineficient. Din acel minim procent de 15 la suta din radiatia solara, pe care celulele fotovoltaice standard sunt capabile sa o capteze, 30 la suta este pierduta prin conversie. Pana cand acest proces se termina, probabil ca ai fi mai productiv folosind bateria reincarcabila.

Energie din apa

Optiunea mai productiva ar fi sa descoperi un anumit tip de material ieftin, conductor de electricitate, care poate ocoli procesul de conversie din celulele fotovoltaice si, pur si simplu, sa foloseasca fotonii solari pentru electroliza apei si obtinerea de hidrogen.

Pentru ca un material sa poata electroliza apa in mod direct, el trebuie sa elibereze electronii de o anumita energie atunci cand este lovit de un foton. Atunci cand acesti electroni sunt destul de excitati energetic pentru a parasi materialul, ei lasa in spate spatii cunoscute sub numele de gauri. Pentru a umple aceste gauri, o molecula de apa doneaza unul din proprii ei electroni. In acest mod, electronii si gaurile lucreaza impreuna pentru a oxida apa si a o transforma in hidrogen si oxigen.

Siliciul nu este candidatul ideal pentru aceasta treaba; electronii sai nu prezinta energia corecta. Toate materialele au nevoie de cantitati diferite si precise de energie pentru ca electronii lor sa se desparta de atom. Atomii de siliciu au nevoie doar de 1,11 electronvolti pentru a elibera un electron, dar procesul de electroliza a apei necesita electroni de cel putin 1,23 electronvolti.

Materialele cu adevarat potrivite pot fi obtinute folosind substante exotice. De pilda, prin combinarea cristalelor de seleniu de zinc si sulfura de cadmiu cu un catalizator pe baza de platina, inginerii de la Bowling Green State University, Ohio, au reusit sa elibereze electronii potriviti. Dar procesul complicat si metalele rare creeaza un dispozitiv care functioneaza in laborator, dar este prea scump pentru a fi comercializat.

Astfel, cercetatorii au inceput sa se reocupe de rugina. Energia perfecta de descompunere a oxidului de fier – 2,1 eV – nu este nici macar cel mai convingator motiv pentru a folosi aceasta substanta mult hulita. Este, de asemenea, netoxica si murdar de ieftina, la propriu. In plus, este atat de abundenta incat putem spune ca este omniprezenta. Metalele rare nu sunt doar scumpe si toxice; obtinerea lor poate fi si imprevizibila din punct de vedere politic. Cercetatorii vorbesc despre disponibilitatea lor in acelasi mod in care unii oameni previzioneaza consumul de petrol. Atunci cand China a redus exporturile de neodim, de exemplu, industrii intregi au suferit, de la motoarele pentru masini la magneti. Aceasta nu este o problema pentru oxidul de fier. “Nimeni nu controleaza rugina”, spune Klaus Hellgardt, care lucreaza la generarea de hidrogen, obtinut cu ajutorul oxidului de fier, la Imperial College London.

Rezistent la rugina

De mare importanta, de asemenea, este stabilitatea sa. Multe materiale esueaza sub efectele corozive ale electrolizei apei, dar oxidul de fier poate dura pana la un an – unii cred ca mai mult – pentru ca, dupa cum spune Hellgardt, “nu este ca si cum ar rugini”.

Desi abilitatea sa de a converti energia solara in hidrogen nu este cea mai eficienta din lume – studii recente indica o limita teoretica de 16,8 la suta – abundenta sa poate contrabalansa eficienta scazuta.

Dar materialului Cenusareasa inca ii mai lipseste un pantof. “Nu a inregistrat performante bune pana in prezent”, spune Nate Lewis de la California Institute of Technology din Pasadena. “Asta nu inseamna ca nu il putem face sa se comporte mai bine.”

Doar pentru ca rugina prezinta proprietatile fizice corecte pentru electroliza apei nu inseamna ca poate face acest lucru fara ajutor. Prin urmare, majoritatea cercetarilor din domeniul ruginii, din ultimul deceniu, s-au invartit in jurul procesului de cedare a electronilor sai catre apa.

Prima problema de rezolvat a fost cea care i-a preocupat pe Hardee si Bard in 1975. Oxidul de fier nu conduce electricitatea foarte bine, acest lucru insemnand ca prin sine insusi nu poate conduce destui electroni catre margine, acolo unde ei ar fi mult mai folositori. Acest proces are nevoie de un mic ajutor. O modalitate pentru a realiza aceasta este prin obtinerea unei energii solare suplimentare de la un dispozitiv numit celula tandem. In 1991, Michael Grätzel, inginer la Swiss Federal Institute of Technology din Lausanne (EPFL), a folosit un strat subtire de oxid de titan, care fusese colorat in prealabil pentru a i se stimula capacitatea de absorbtie a fotonilor, pentru a crea o celula solara colorata, o modalitate simpla si ieftina de a produce un curent electric fara implicarea siliciului. Prin alimentarea, cu curentul rezultat, a stratului de rugina aflat dedesubt, ei au fost capabili sa elibereze electronii corecti pentru a electroliza apa (Nature, vol 353, p 737).

Dispozitivul lui Grätzel a reusit performanta unei eficiente fara precedent de 4 la suta. Totusi, pentru aceasta a fost nevoie de 2 celule tandem in plus. Energia suplimentara a fost necesara pentru stimularea electronilor la un nivel energetic mai inalt. Fara ele, rugina ar fi reabsorbit electronii in reteaua sa cristalina, inainte ca ei sa fi putut sa se elibereze.

Singura solutie ar fi sa realizam un strat de rugina destul de subtire pentru a le permite electronilor sa scape – de ordinul zecilor de nanometri. In 1975 si chiar si la inceputul anilor 1990, acest lucru era imposibil. La inceputul secolului 21, totusi, nanotehnologia a avansat suficient ca sa iti permita sa manipulezi structura fizica a unui material – si sa produca unele solutii surprinzator de elegante.

Jordan Katz, de la Universitatea Denison din Ohio, a creat un invelis subtire compus din rugina de numai cativa nanometri. Aceasta latime ingusta ii ofera dispozitivului o suprafata foarte mare, in timp ce ii permite apei sa patrunda in crapaturile de dimensiuni nanometrice dintre tije. Astfel, electronii si gaurile sunt eliberate din material si se pot intalni cu apa din vecinatate. Dar Katz spune ca se afla inca departe de descoperirea unui material cu eficienta necesara pentru a fi comercializat.

Cercetatorii de la EPFL au gasit o modalitate pentru a realiza tocmai acest lucru. Pentru a ajuta la eliberarea electronilor, Kevin Sivula a creat o rugina de dimensiuni nanometrice folosind metoda depunerii “nor”, care implica pulverizarea unei pacle de solutie de fier pe o suprafata. Aceasta metoda de depunere face ca oxidul de fier sa preia aspectul unor paduri de “copaci”, de forma unor conopide microscopice, creand acel tip de suprafata fractalica care le permite electronilor sa se elibereze, dar care poate fi si produsa in masa.

Anul trecut, grupul lui Sivula a creat un dispozitiv functional care foloseste ceva nu cu mult mai scump decat sticla. La 3,6 la suta, eficienta sa rivaliza cu cea a dispozitivului lui Grätzel, dar fara ajutorul celulelor tandem suplimentare (Nature Photonics, vol 6, p 824). Iar Sivula spune ca poate duce aceasta eficienta la 10 la suta in cativa ani.

Totusi, proiectul sau ar putea fi impiedicat de o problema care apare, in mod paradoxal, atunci cand stratul de rugina este foarte subtire. O problema fundamentala pentru fiecare material electrolitic este ca ai nevoie ca el sa fie cat mai gros si cat mai subtire posibil. Un material mai subtire este mai bun atunci cand vrei ca electronii tai sa aiba sanse sa se elibereze. Dar pentru a absorbi cat mai multi fotoni posibil, stratul de rugina trebuie sa fie gros. Un strat de 20 nanometri absoarbe doar 18 la suta din numarul total de fotoni absorbabili. Mareste grosimea materialului la 1 micrometru si ii prinzi aproape pe toti – dar apoi raman blocati.

Pentru a rezolva aceasta problema, Avner Rothschild si echipa sa de la Universitatea Technion din Haifa, Israel, a apelat la fizica cuantica. Dispozitivul lor capteaza lumina in pelicule de rugina cu grosimea de 30 nanometri. Atunci cand fotonii patrund in dispozitiv, ei sunt fortati sa strabata o camera de oglinzi opozabile, in forma de V, din care acestia ricoseaza pana cand sunt absorbiti. In plus, interferenta dintre undele de lumina, care se propaga inainte si inapoi, amplifica absorbtia, in special in apropiere de suprafata peliculei. Electronii si gaurile pot ajunge cu usurinta la suprafata inainte ca recombinarea sa devina posibila. Multumita acestei optimizari, dispozitivul este capabil sa absoarba 71 la suta dintre fotoni, dar este destul de subtire pentru ca electronii sa poata scapa, conducand la o eficienta teoretica de 4,9 la suta (Nature Materials, pe cale de aparitie).

Acest lucru este impresionant avand in vedere standardele joase ale oxidului de fier, dar nu chiar un exemplu bun de produs comercializabil – sau ba da?

Aici rezida adevarata genialitate a ruginii si motivul pentru care ar putea eclipsa siliciul, in ciuda celor mai scazute eficiente. Chiar daca nu isi atinge niciodata maximul de 16 la suta, spune Sivula, este atat de ieftina incat tu poti acoperi suprafete vaste cu ea, exact ce el precum si alti cercetatori in domeniu doresc sa faca. “Ceea ce conteaza intr-un final nu este eficienta, ci costul per watt”, spune Katz. Chiar si o eficienta de 10 la suta “la pretul corect”, spune el, ar invinge o celula fotovoltaica cu o eficienta de 50 la suta, pentru ca rugina ar merita astfel sa fie imprastiata pe orice suprafata.

Si exact acesta este scopul. Sivula crede ca ai putea inveli cu mixtura sa fieroasa in forma de conopida ceva asemanator tapetului, imprimand pur si simplu straturi de celule solare, generand hidrogen pretutindeni si oriunde. Asezarile singuratice din desert ar constitui casa perfecta, iar procesul ar putea folosi apa menajera.

Problema cu hidrogenul

Pentru a fi siguri, cateva probleme mai trebuie sa fie rezolvate inainte ca acest vis sa poata fi realizat. Odata ce apa este scindata, de exemplu, “tu ai creat propriu-zis o bomba”, spune Hellgardt, pentru ca oxigenul si hidrogenul pot reactiona in mod exploziv. Un sfarsit mai benign al procesului dar, de asemenea, la fel de nefericit este ca hidrogenul si oxigenul tau se recombina pentru a forma apa care este un pic mai calda decat era inainte.

Separarea celor doua gaze este primordiala. In celula lui Sivula, de exemplu, o membrana atrage oxigenul si hidrogenul in mod diferit, permitandu-le sa functioneze in mod separat. Hellgardt are o idee diferita: daca nu planuiesti sa folosesti oxigenul, de ce sa il mai generezi? Modelul lui foloseste apa menajera de calitate inferioara pentru a “digera” oxigenul. In loc de a deveni un gaz, el reactioneaza cu compusii organici din apa, permitandu-i hidrogenului sa calatoreasca in siguranta spre tancul de depozitare.

Si apoi urmeaza ultima racila a energiei solare produse din rugina: in timp ce poate colecta energia solara prin producerea de hidrogen, depozitarea prezinta propriile ei probleme. Gazul este, in mod special, dificil de pastrat intr-un spatiu inchis fara a te baza pe materiale rezistente si scumpe care nu vor coroda sau exploda. Intr-adevar, aceasta problema a blocat intreaga promisiune a proclamatei economii bazate pe hidrogen.

Cercetatorii au lucrat la o serie de solutii pentru aceasta problema. Pe langa imbunatatirile clare ale pilelor de combustie, un numar de noi abordari este in plan. De exemplu, cercetatorii de la Universitatea New South Wales din Australia au folosit recent borohidrura de sodiu, de scara nanometrica, in procesul de stocare. In mod normal, sarea trebuie sa fie incalzita la 550 de grade Celsius pentru a elibera hidrogenul aflat in legaturile sale, dar la scara nanometrica a fost determinata sa faca acest lucru la 50 grade Celsius. Aceasta este o dezvoltare promitatoare pentru hidrogenul portabil la mai multe scari.

Promitatoare, dar nu neaparat necesara. Canistrele simple de hidrogen, deja prezente la locul de transformare si arse dupa modelul combustibilului de tabara, ar putea fi, de asemenea, o solutie. Aceasta este ceea ce Briant Holcroft, directorul companiei Stored Solar, vede ca o nisa imediata in locuri cum ar fi Kenya, unde lumina solara este prezenta in abundenta si infrastructura energetica lipseste. El a colaborat cu EPFL pentru a folosi mecanismul oxid de fier – celule tandem pentru compania sa, care ofera solutii energetice independente. El este hotarat sa puna aceste dispozitive si pe acoperisurile din lumea dezvoltata, unde proprietarii lor ar putea obtine combustibil din hidrogen si electricitate, fiind independenti fata de reteaua electrica.

Si poate ca ei nu vor avea nevoie de celulele tandem. Informatiile dobandite ca urmare a deceniilor de folosire a electronilor din rugina pentru electroliza apei ar putea aduce visul original al lui Hardee si Bard din trecut in viitor: un dispozitiv fotovoltaic pe baza de rugina, desi unul ineficient, cuplat cu un dispozitiv de stocare.

“Daca nu-ti pasa deloc de eficienta, o celula pe baza de rugina ar putea functiona fie ca sa produca combustibil sau electricitate, fie amandoua in acelasi timp”, spune Katz. “Ar putea produce energie in timpul zilei, cand ne-am confrunta cu o cerere mare pentru electricitate, dar ar produce in schimb combustibil, atunci cand cererea nu ar mai fi la fel de mare.” Avand in vedere realitatile economice ale energiei solare, micutul curent descoperit de Hardee si Bard, in 1975, ar putea inca deveni o sursa de energie regenerabila care ar putea acoperi planeta. Poate ca a sosit timpul sa intram in Era Ruginii.

Textul de mai sus reprezinta traducerea articolului Midnight sun: How to get 24-hour solar power, publicat de New Scientist. Scientia.ro este singura entitate responsabila pentru eventuale erori de traducere, Reed Business Information Ltd si New Scientist neasumandu-si nicio responsabilitate in aceasta privinta.
Traducere: Alexandru Hutupanu

LĂSAȚI UN MESAJ

Please enter your comment!
Please enter your name here