A nanotechnológia határozhatja meg a napelemek jövőjét

Egyetlen energiaforrásunk sem versenyezhet azzal a hatalmas energiával, amelyet a Nap sugároz folyamatosan a Földre. A napenergiát ma még drágán és kis hatékonysággal alakítjuk át elektromossággá, illetve hővé, ezért egyelőre nem is játszik meghatározó szerepet energiamérlegünkben. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma számára készített elemzés szerint a biológia, az anyagtudomány, valamint a nanotechnológia újabb eredményei alapján a hatásfok lényeges javítása várható. Az új lehetőségekről az amerikai fizikusok folyóirata, a Physics Today márciusi száma közölt összefoglalót.

A természet hárommilliárd év alatt többféle megoldást talált a napenergia kémiai energiaforrássá való átalakítására. A növények aktuális fotoszintézise mintegy 100 terawatt napenergiát használ fel, amikor vízből és szén-dioxidból cukrokat épít fel. Ám az energiaátalakítás hatásfoka túl kicsi ahhoz, hogy az emberi igényeket ily módon lehessen kielégíteni. A fotoszintézis többlépéses folyamat, melynek elején a vízmolekula felbontása hatékony, de a későbbi lépések lerontják a hatásfokot. Három megoldás kínálkozik: gyorsabban növő, több biomasszát produkáló növények létrehozása nemesítéssel vagy genetikai módosítással; a természetes fotoszintézis kevéssé hatékony lépéseinek kikerülése, és végül a biológiai megoldást utánzó nanoméretű szerkezetekkel fűtőanyag gyártása vízből és szén-dioxidból. Az első megoldással régóta foglalkoznak, a második és harmadik lehetőség felderítésére ugyan elindultak már a kutatások, de még csak a kezdeti lépéseknél tartanak.

A fotoszintézis első lépéseit megfelelően szétválasztva és újrarendezve hidrogént, metánt és alkoholmolekulákat lehetne előállítani. Eközben a fotoszintézis kezdetén felszabaduló protonokat és elektronokat hidrogénmolekulákká lehetne "összekötni". Ezek a kutatások a biológia, az anyagtudomány, valamint az energiaátalakítás frontvonalának összekapcsolását célozzák.

A mesterséges fotoszintézis létrehozásában is megszülettek már az első ígéretes megoldások. Hexa-fenil-benzol molekula adja egy nanoszerkezet merev vázát, ezt öt antracénmolekula veszi körül, amelyek antennaként gyűjtik be a 430-475 nanométer hullámhosszú fényt. Az energiát 1-10 pikoszekundum (a másodperc billiomod része) alatt átadják egy porfirinmolekulának, amelyből egy gerjesztett elektron 80 pikoszekundum alatt átkerül egy fullerénmolekulába. Ilyen összekapcsolt molekulák tehetik meg a fotoszintézis első lépését, a további, még feltárandó és megoldandó lépésekben a vízből hidrogénmolekula, a szén-dioxidból metán vagy alkohol hozható létre.

Hőenergia napenergiából

Sokfelé használják a napenergiát közvetlenül hőtermelésre, de aránya csak néhány országban, például Cipruson és Izraelben jelentős. Napsugarakkal mintegy 200 Celsius-fokra lehet hevíteni egy folyadékot, de a sugarakat parabolatükrökkel koncentrálva 650 foknál magasabb hőmérséklet is elérhető. Sokelemes tükörrendszerrel egy toronyra fókuszálva a napsugárzást a hőmérséklet az 1500 Celsius-fokot is meghaladhatja. A nap hőjével hajtott gőzgépeket szokásos generátorokra kapcsolva elektromos energia nyerhető. A kaliforniai Mojave-sivatagban 1984 és 1991 között kilenc parabolatükrös elektromos erőművet építettek, és ezek ma is működnek, összteljesítményük 354 megawatt. Hatásfokuk éves átlagban 20%, de a legújabb típusé eléri a 30%-ot is. Ezek az értékek napenergia hasznosításban magasnak számítanak, de távol állnak a legjobb gáztüzelésű erőművek hatásfokától, amely megközelíti a 60%-ot. Naperőművekben a jobb hatásfokhoz legalább 1500 fokos hőmérsékletet kell elérni. Egyelőre kísérleti stádiumban van egy másik lehetőség, a hibridrendszer kipróbálása, melyben kétféle átalakítást kombinálnak. A koncentrált napsugárnyaláb látható részéből napelemekkel elektromos energiát nyernek, a sugárzás többi részével hőt termelnek, majd abból állítanak elő elektromosságot.

Elektromos energia termelésére a hőelektromos jelenséget is fel lehet használni. A mozgó alkatrész nélküli rendszerben kétféle anyag - rendszerint fém vagy fémek ötvözete- hőmérsékletkülönbsége hozza létre az elektromos áramot. A közel 200 éve ismert jelenség komolyabb hasznosítása az 1990-es években kezdődött el. Jelenleg a nanoszerkezetű kompozitanyagok tűnnek a legígéretesebbnek, ezekben kvantumpöttyök vagy nanodrótok kaphatnak szerepet. Kísérletileg igazolták, hogy ún. vékonyfilm-szuperrács elrendezésben kétszer akkora teljesítmény érhető el, mint pontosan ugyanannak az anyagnak nagyobb tömegét használva. Bizmut-tellúr és ón-tellúr, illetve ólom-tellúr és ólom-szelén fémötvözet párokkal végeztek méréseket. Ebben az esetben nagy anyagmennyiséget kell nanoszerkezetekből összerakni, és nanodrótok, nanopöttyök beillesztése mellett kell nagy elektromos teljesítmény kezelését megoldani. Nemrég szerves molekulával is sikeresen hoztak létre hőből közvetlenül elektromos energiát, bizonyítandó azt a feltételezést, hogy drága fémek helyett olcsó szerves anyagokkal is érdemes kísérletezni.

Energiatárolás és -továbbítás

Bármilyen olcsó és egyszerű megoldás születik is a napenergia elektromos vagy hőenergiává alakítására, továbbra is megoldatlan az energiatárolás problémája. Az éjszaka és a nappal, a napos és a felhős időszakok váltakozása, a nyár és a tél eltérő besugárzása miatt az energiaátalakítás nem megy folyamatosan. A napenergiával előállított üzemanyag kémiai kötéseiben tárolja ugyan az energiát, de nagy mennyiségű elektromos és hőenergia tárolására még nincs megoldás. A folyamatos előállítás is szóba jöhetne, de ez a lehetőség egyelőre a tudományos fantasztikumok világába illik: geoszinkron pályán (a Föld felszínétől 35 786 kilométerre) keringő műholdak sokasága alakítaná át a napsugarakat, és a termelt energiát mikrohullámok formájában sugározná le a felszíni vevőantennákra. Akkor sem lenne szükség nagy tárolókapacitásokra, ha kiépülne egy olyan globális elektromos hálózat, amelyben szupravezető kábeleken veszteség nélkül folyna az áram a napsütötte vidékekről az éppen sötét földrészekre. Ám anyagi okokból a globális szupravezető hálózat sem tartozik a közeljövő lehetőségei közé.

Jéki László