Készül a napcsapda

Ahhoz, hogy elektromosságot nyerjünk a napfényből, használhatunk a fényt közvetlenül átalakító napelemeket, vagy a napfény hőjét, amivel vizet felforralva turbinákat hajthatunk meg. Ezek egyaránt kiforrott technológiák, azonban elvben létezik egy harmadik módszer is, a hő közvetlen, gőz és turbinák nélküli felhasználása.

Ebben az esetben a hagyományos napelemekkel ellentétben, ami csupán a fény bizonyos frekvenciáira érzékeny, szinte az összes beeső energia átalakítható, és nincs szükség a forró vizes módszer mechanikai folyamataira sem. Sajnos azonban, ha egy ilyen eszközt közvetlen, koncentrálatlan napfénynek teszünk ki, az nem termel sokkal több hőt, mint ami a víz felforralásához elegendő, mivel a hőtan törvényei szerint ennél jóval magasabb hőmérsékleteken ugyanolyan gyorsan adódik le a hőt, mint ahogy elnyelődik. Ez komoly probléma, ugyanis egy közvetlen átalakítónak ahhoz, hogy hatékony legyen, el kell érnie a 700 Celsius fokot, ezt pedig eddig csak a fény koncentrálásához szükséges speciális - nem utolsó sorban költséges - parabola tükrökkel sikerült megoldani.

Peter Bermel és munkatársai az MIT-nél azonban úgy vélik, sikerült megtalálniuk a probléma megkerülésének egy módját. A Nanoscale Research Letters szaklapban megjelent publikációjuk szerint feltalálták a napfényben rejlő energia koncentrálásának egy tükrök nélküli módját, ami szó szerint egy "napcsapdaként" funkcionál.

Dr. Bermel csapdája egy vékony volfrámból, a legmagasabb olvadáspontú fémből készült lap, ami ezáltal erősen "hőtaszító". A lapot egy egészen szokatlan módszerrel munkálják meg. Az egyik oldalát, ami a Nap felé néz, mikroszkopikus bemélyedésekkel borítják, míg a másikat, ami egy különleges, indium-gallium-arzenidből készült napcella felé irányul, egy fotonikus kristályszerkezetté formálnak, melynek hatására infravörös sugárzást bocsát ki a cella által elnyelendő legalkalmasabb frekvencián. A lap mindkét oldala a számítógépes processzor gyártásban is alkalmazott fotolitográfiával állítható elő.

A csapda szerepét a mindössze háromnegyed mikron átmérőjű és három mikron mélységű, egymástól négyötöd mikron távolságra elhelyezkedő mélyedések hálója látja el. Amikor az eszközt úgy állítják be, hogy a mélyedések egyenesen a Nap felé néznek, a beeső sugárzás nagy része lesüllyed a mélyedések aljára, ahol elnyeli a volfrám, majd ahogy azt a termodinamika törvényei kimondják, gyorsan visszasugározza. A mélyedés belsejéből érkező hősugárzás mielőtt kiszökne a külvilágba nagy valószínűséggel találkozik a mélyedés falával. Amikor ez bekövetkezik, újraindul az elnyelődés és a visszasugárzás teljes folyamata. A végeredmény, hogy a volfrám sokkal forróbbá válik, mint amit egy egyszerű fémlap képes lenne kezelni.

Az elektromossággá alakításhoz a keletkező hőt a volfrám felszínébe mart, fotonikus kristályként funkcionáló szabályos geometriai minta irányítja a napcellához, bizonyos frekvenciákon felerősítve, míg másokon elnyomva az infravörös kibocsátást. A trükk a kristály finomhangolásában rejlik, amit a minta részleteinek oly módon történő módosításaival érnek el, hogy az a lehető legtöbb energiát bocsássa ki az indium-gallium-arzenid számára leghatékonyabb frekvencián.

Dr. Bermel számításai szerint az eredmény egy olyan rendszer, ami a napfény 37 százalékát alakítja energiává, ami nem rossz a hagyományos szilíciumalapú napcellák 28 százalékos csúcsértékéhez viszonyítva, vagy a tükrökkel elért 31 százalékkal összevetve. A következő lépés természetesen a módszer gyakorlati kipróbálása, Bermel azonban magabiztos számításai helyességét illetően.

A volfrámot, mint anyagot, eddig főként a hagyományos villanykörtéknél alkalmaztuk, ezek azonban erőteljesen kezdenek kiszorulni a piacról, mivel az elektromosság túl nagy hányadát alakítják fény helyett hővé. A dolog iróniája, hogy a folyamatot megfordítva a volfrám nem csak hogy újra visszatérhet a köztudatba, de segíthet megoldani a világ megújuló energia hiányát.