A fost inventat panoul solar nocturn. Care este secretul tehnologiei sale?

Cerul de deasupra Stanford, California a fost neobișnuit de senin timp de câteva nopți în octombrie anul trecut, cadrul ideal pentru ca panoul solar nocturn să funcționeze.

Asta a fost o veste bună pentru cercetătorul Sid Assawaworrarit și colegii săi. Acele condiții au fost „probabil cele mai bune din an”, a spus el.

• Exoplaneta Trappist-1 b ar putea avea atmosferă, dezvăluie Telescopul Webb
• Inima celei mai vulcanice lumi din Sistemul Solar este mai solidă decât s-a crezut

Motivul pentru care Assaworrarit a fost recunoscător nu este faptul că norii nu au mai împiedicat lumina stelelor să călătorească prin atmosferă și să ajungă la oglinda unui telescop. Fiind inginer electrician, el a s-a bucurat de nopțile fără nori dintr-un motiv cu totul diferit: o noapte senină înseamnă că lumina infraroșie de la suprafața panourilor solare poate radia liber în spațiu, scrie Interesting Engineering.

Acest flux de energie îi permite dispozitivului creat de Assaworrarit și de colegii săi, un panou solar obișnuit echipat cu un generator termoelectric, să genereze o cantitate mică de electricitate din diferența ușoară de temperatură dintre aerul ambiant și suprafața unui panou solar îndreptat spre spațiu.

Panoul solar nocturn emite fotoni

Noua tehnologie profită de un fapt surprinzător despre panourile solare.

„În timpul zilei, lumina care vine de la Soare lovește celula solară, dar în timpul nopții lucrurile se petrec aproape invers”, spune Assawaworrarit.

Acest lucru se datorează faptului că panourile solare (ca orice lucru mai cald decât zero absolut) emit radiații infraroșii.

„De fapt, lumina iese din panoul solar nocturn și o folosim pentru a genera electricitate noaptea. Fotonii care ies din panou noaptea răcesc de fapt celula solară”, spune el.

Pe măsură ce acești fotoni părăsesc suprafața îndreptată către cer a panoului solar, ei transportă căldură. Asta înseamnă că într-o noapte senină, când nu există nori care să reflecte lumina infraroșie înapoi către Pământ, suprafața unui panou solar va fi cu câteva grade mai rece decât aerul din jurul său.

Acea diferență de temperatură este cea de care profită Assawaworrarit și colegii săi. Un dispozitiv numit generator termoelectric poate capta o parte din căldura care curge din aerul mai cald către panoul solar mai rece și o poate transforma în energie electrică.

Momentan, energia produsă de panoul solar nocturn este destul de mică

Într-o noapte senină, dispozitivul testat de Assawaworrarit pe acoperișul Stanford generează aproximativ cincizeci de miliwați pentru fiecare metru pătrat de panou solar (50 mW/m2).

„Cred că acesta este probabil un număr record”, spune el. Dar Assawaworrarit și echipa sa nu s-au oprit aici. El spune că cu câteva îmbunătățiri (și într-o locație bună) un astfel de dispozitiv ar putea genera de două ori acea cantitate de electricitate.

„Limita teoretică este probabil de 1 sau 2 wați pe metru pătrat”, spune el. „Nu este un număr mare, dar există o mulțime de aplicații” în care acest tip de energie pe timp de noapte ar putea fi util.

„Este foarte atractiv din punct de vedere al costurilor”

De exemplu, o mare parte a populației lumii, aproximativ un miliard de oameni, nu are acces la o rețea electrică. Oamenii care trăiesc în această situație „se pot baza pe soare în timpul zilei, dar noaptea nu au ce face”, spune el.

Spre deosebire de bateriile care se degradează substanțial după câteva mii de cicluri de încărcare, tipul de generatoare termoelectrice utilizate în aceste panouri solare sunt în stare solidă, „deci durata de viață este aproape pentru totdeauna”, spune el.

O altă utilizare bună a tehnologiei este alimentarea imensei rețele de senzori de mediu pe care cercetătorii o folosesc pentru a urmări orice, de la condițiile meteorologice până la speciile invazive din colțurile îndepărtate ale globului. Din nou, panourile solare care generează o cantitate mică de electricitate pe timp de noapte ar putea reduce nevoia de baterii și costurile de întreținere și înlocuire a acestora.

„Dacă poți obține până la un watt pe metru pătrat, este foarte atractiv din punct de vedere al costurilor”, spune Assawaworrarit.

Căldura Pământului

Pământul primește în mod constant o cantitate uriașă de energie de la Soare, până la 173.000 de terawați. Norii, particulele din atmosferă și suprafețele reflectorizante precum munții acoperiți de zăpadă reflectă imediat 30% din acea energie în spațiu. Restul ajunge să încălzească pământul, oceanele, norii, atmosfera și orice altceva de pe planetă.

Dar acea energie nu rămâne aici. Cu excepția căldurii suplimentare pe care gazele cu efect de seră au captat-o odată ce oamenii au început să ardă cantități mari de combustibili fosili începând cu Revoluția Industrială, Pământul trimite în spațiu aproximativ tot atâta energie câtă primește. De aceea, planeta emite o cantitate cu adevărat uluitoare de energie sub formă de radiație infraroșie.

„Este un fel de lumină”, spune Assawaworrarit. Radiația infraroșie care strălucește de pe Pământul cald (sau orice altceva) are lungimi de undă prea lungi pentru ca ochii să le vadă, dar transportă energie. De fapt, mai mult de jumătate din cantitatea totală de energie solară care lovește Pământul trece prin acest proces, revenind în cele din urmă în spațiu.

Ceea ce au făcut Assawaworrarit și colegii săi este să conceapă o nouă modalitate de a capta acea energie pe măsură ce aceasta părăsește planeta. Ei nu sunt primii care folosesc un generator termoelectric pentru a capta acest tip de energie.

Prin integrarea acestei noi tehnologii în panouri solare care generează energie electrică în timpul zilei, cercetătorii au făcut un pas important înainte pentru a face posibil ca oamenii obișnuiți să capteze această energie pentru ei înșiși.

Răcirea radiativă

Oamenii de știință moderni nu sunt primii care au observat că o suprafață îndreptată spre un cer senin de noapte poate deveni mai rece decât aerul din jurul ei. Fenomenul se numește răcire radiativă și probabil că l-am observat cu toții la prima oră a dimineții.

Este cel mai evident în iarbă după ce temperaturile scad până la puțin peste punctul de îngheț al apei.

„Chiar dacă temperatura ambientală este cu câteva grade peste punctul de îngheț, temperatura ierbii este de fapt mai scăzută. Dacă iarba este cu câteva grade sub temperatura ambiantă, iar ambianta este puțin peste nivelul de îngheț, atunci iarba ar putea fi de fapt sub punctul de îngheț”, spune Assawaworrarit.

Este un fenomen ciudat și subtil care se întâmplă doar atunci când cerul este senin. Acest lucru se datorează faptului că norii încălzesc pământul reflectând lumina infraroșie înapoi pe suprafața Pământului. „Nu o veți putea vedea pentru că se întâmplă la o lungime de undă pe care oamenii nu o pot vedea”, dar răcirea radiativă are loc tot timpul, spune Assawaworrarit.

Folosirea fenomenului în istorie

Oamenii de știință moderni nu sunt nici primii care au încercat să se folosească de răcirea radiativă. Sud-estul Iranului conține rămășițele a zeci de case de gheață, numite Yakhchāls, pe care perșii antici le foloseau pentru a exploata fenomenul.

Atunci când structurile erau în funcțiune, oamenii turnau apă în bazine puțin adânci de lângă casele de gheață. Chiar dacă temperatura aerului ajungea la 4 grade Celsius, apa îngheța. Dimineața, oamenii colectau gheața și o transferau într-o structură din apropiere asemănătoare unui stup, care folosea un set diferit de tehnici de răcire pasivă pentru a menține gheața pe tot parcursul verii.

Ce obstacole a trebuie să depășească panoul solar nocturn pentru a fi realizat?

Înțelegerea fizicii folosite de panoul solar nocturn este doar o parte din munca cercetătorilor. Inginerii lucrează de ani de zile pentru a le face suficient de eficiente pentru a fi utile pentru utilizarea de zi cu zi.

Assawaworrarit și colegii săi au început să lucreze la această problemă în timpul pandemiei.

„Ne-am blocat destul de mult la început, deoarece numerele pe carele obțineam la început nu erau nici pe departe ceea ce ne așteptăm”, spune el. După luni în care a analizat cifrele, primul experiment al echipei a arătat că iterațiile timpurii ale dispozitivului au produs aproximativ o zecime din cantitatea de electricitate la care se așteptau.

S-a dovedit că o mare problemă le stătea în cale.

„O celulă solară nu este de fapt un foarte bun conductor de căldură”, spune Assawaworrarit. Aceasta era problema. Inginerii și-au dat seama că energia care ieșea prin marginile panoului solar nu contribuia foarte mult la producția de energie a sistemului, deoarece energia termică nu putea călători cu ușurință prin celula solară în sine.

„Privind în urmă, pare simplu. Dar în acel moment nu era evident”, spune el.

Inginerii au rezolvat problema prin atașarea celulei solare direct pe o placă de aluminiu, care conduce energia mult mai eficient.

„A fost un fel de revelație”, spune el.

Vă recomandăm să citiți și:

Oamenii de știință de la NASA au creat un nou mesaj pentru extratereștri

Un model de vreme spațială ar putea identifica exoplanetele care prezintă viață

Roverul Franklin, pregătit pentru misiunea pe Marte. Cum arată viitorul pentru ExoMars?

40.000 de arme biologice ipotetice, generate în doar 6 ore de inteligența artificială