Pâlnie solarăInginerii de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts (MIT)  propun un nou mod de captare a fotonilor în scopul producerii de energie electrică ce promite să folosească un spectru mai larg de energie solară. Detalii, în continuare.

 

 

 

 

Încercarea de a capta un spectru mai larg din lumina solară pentru a produce electricitate a luat o nouă direcţie, odată cu propunerea de "pâlnie de energie solară", ce foloseşte deformările unor materiale elastice.

”Încercăm să folosim aceste deformări elastice pentru a obţine proprietăţi fără precedent” a spus Ju Lim, profesor la MIT  şi autor corespondent al lucrării care descrie noul concept de canalizare a energiei solare,   recent publicată în revista Nature Photonics.

 

 

Canalizarea energiei electrice
credit Zan Liang : o vizualizare a pâlniei de captare a unui spectru larg al energiei solare



De fapt ”pâlnia” este o metaforă. Electronii şi omologii lor, găurile – care sunt desprinse de atomi de către energia fotonilor – sunt dirijaţi spre centrul structurii de forţe electronice şi nu de gravitaţie, cum e cazul unei pâlnii obişnuite. Şi totuşi, în timp ce se întâmplă acest lucru, materialul chiar ia forma unei pâlnii: este  o foaie de material întins care dispare îndesat la centrul său de către un ac microscopic care îi zgârie  suprafaţa cu mici liniuţe producând o curbă de forma unei pâlnii.

Presiunea exercitată de ac împarte tensiunea elastică, ce creşte spre centrul foiţei. Tensiunea variabilă modifică structura atomică suficient încât să ”acordeze” secţiuni diferite cu lungimi de undă diferite ale luminii – inclusiv nu doar din lumina vizibilă, dar şi cu unele  din spectrul invizibil, care reprezintă o mare parte din energia solară. Li, care lucrează atât ca profesor de ştiinţă nucleară la Bettelle Energy Alliance, cât şi ca profesor de ştiinţă şi ingineria materialelor, consideră că manipularea deformării materialelor reprezintă un domeniu de cercetare complet nou.

 

Deformarea prin presiune – definită ca împingerea sau tragerea unui material într-o formă diferită – poate fi elastică sau inelastică. Xiaofeng Qian, postdoctorand la Departamentul de Ştiinţă şi Inginerie Nucleară al Institutului de Tehnologie din Massachusetts, co-autor al lucrării, a explicat că deformarea elastică corespunde legăturilor atomice extensibile, iar cea inelastică sau plastică ar corespunde legăturilor atomice rupte sau inversate. Un arc care este întins şi eliberat este un exemplu de deformare elastică, în timp ce o bucată de staniol mototolită este un caz de deformare plastică.

Noua modalitate de lucru cu pâlnia solară utilizează în mod precis deformarea elastică pentru a controla potenţialul electronic din material. Echipa de la MIT a folosit tehnica modelării prin calculator pentru a determina efectele acestei deformări pe un strat subţire de bisulfură de molibden (MoS2), un material care poate forma o peliculă de grosimea unei singure molecule (aproximativ şase angstromi).

Se dovedeşte că deformarea elastică, prin urmare, schimbarea care îi este indusă energiei potenţiale a electronilor, se modifică odată cu distanţa acestora de centrul pâlniei – la fel ca electronul într-un atom de hidrogen, cu excepţia faptului că acest ”atom artificial” este mult mai mare ca dimensiune şi este bi-dimensional. În viitor cercetătorii speră să efectueze experimente de laborator pentru a putea confirma acest efect.

Spre deosebire de grafen, un alt material cu peliculă subţire proeminentă, MoS2 este un semiconductor natural. Acesta are o caracteristică esenţială, cunoscută sub numele de decalaj de bandă, care îi permite să fie transformată în celule solare sau circuite integrate. Dar spre deosebire de siliciu, care este acum folosit în componenţa celor mai multe celule solare, la plasarea peliculei sub presiunea deformării în  ”pâlnia de energie solară”, configuraţia face ca  decalajul de bandă să varieze de-a lungul suprafeţei, astfel încât diferite părţi ale ei răspund la diferite culori ale luminii.

Într-o celulă solară organică, perechea-goală a electronului, numită exciton, se mişcă aleatoriu prin material după ce a fost generată de fotoni, limitând capacitatea de producere a energiei. ”Este un proces de difuzie, a spus Qian, ”şi este foarte ineficient”. Dar în pâlnia solară, a adăugat el, caracteristicile electronice ale materialului  ”le conduce la punctul de colectare (în centrul peliculei), ceea ce ar trebui să fie mult mai eficient pentru colectarea încărcăturii.”

Este vorba despre  patru tendinţe convergente, a mai spus Li, ”care au deschis drumul spre acest domeniu nou al ingieriei defromării materialelor prin presiune: dezvoltarea materialelor nanostructurate, cum ar fi nanotuburile şi MoS2, care sunt capabile să deţină cantităţi mari de deformare elastică pe termen nelimitat; dezvoltarea microscopului de forţă atomică şi a instrumentelor  nanochimice din următoarea generaţie, care impun forţa într-o manieră controlată: microscopia electronică şi facilităţile synchrotron, necesare pentru a măsura în mod direct câmpul de deformare elastică; şi metodele de calcul ale structurii electronice pentru estimarea efectelor deformării elastice asupra proprietăţilor fizice şi chimice ale materialului respectiv.

”Pentru o lungă perioadă de timp, oamenii au ştiut că prin aplicarea de înaltă presiune, se pot induce schimbări imense ale proprietăţilor materialelor”, a spus Li. Dar munca de cercetare mai recentă a arătat că prin controlul presiunii în direcţii diferite, cum ar fi cea de forfecare şi de cea de tensiune, se pot genera o varietate enormă de proprietăţi.

Una dintre primele aplicaţii în afaceri a ingineriei deformării elastice a fost realizarea de către IBM şi Intel a unei îmbunătăţiri cu 50% a vitezei electronilor prin simpla aplicare a unui singur procent de presiune de deformare elastică la scară nanometrică a canalelor de siliciu din tranzistori.

”Acest studiu de cercetare prezintă o idee nouă şi interesantă în ceea ce priveşte ingineria deformării prin presiune a dispozitivelor optice” , a declarat, En Ma, profesor de ştiinţa şi ingineria materialelor de la Universitatea John Hopkins, care nu a fost implicat direct în cercetare.

”Această demonstraţie teoretică şi de clacul, ilustrată cu grafice de modelare computaţională, ne poate ghida pe viitor  în  domeniul proiectării şi ingineriei aparatelor de laborator”, de exemplu, pentru extragerea eficientă a energiei electrice de la lumina solară.

La această muncă de cercetare au contribuit Ji Feng şi Cheng-Wei Huang , de la Universitatea din Pekin, cu sprijinul Fundaţiei Naţionale de Ştiinţă a SUA, biroului de cercetare ştiinţifică al Forţelor Aeriene SUA şi al Fundaţiei Naţionale de Ştiinţe ale Naturii din China.

 



Traducere după funneling-the-suns-energy de Daniela Albu

Write comments...
symbols left.
You are a guest ( Sign Up ? )
or post as a guest
Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.

Be the first to comment.