Ден на Земята: Ще впрегнем ли слънчевата енергия чрез нанотехнологии?
Учени от Университета в Бъркли, Калифорния, успяха да задвижат миниатюрни плавателни съдове директно чрез слънчевите лъчи
Слънцето е най-богатият извор на възобновяема енергия. Ала всички технологии за оползотворяване на слънчевата светлина, включително фотогалваничните елементи и биогоривата, зависят от междинни етапи преди да преобразуват слънчевите лъчи в извършена работа. Този път, обаче, изследователи от Университета в Бъркли, Калифорния извършват революционни експерименти като използват свръхмодерни материали като въглеродните нанотръби. Те успяха да задвижат прости миниатюрни механизми директно от слънчевата светлина.
Техните механизми използват повърхностното напрежение на водата за движеща сила. Водните молекули силно се привличат една друга. При подходящо създадени условия тези високо-енергийни връзки могат да се употребят за придвижването на някакъв обект по водата. Механизмите от лабораторията в Бъркли представляват пластмасови пластини, около сантиметър по най-голямата им дължина. В тях са вдълбани вертикално разположени, въглеродни нанотръби. Когато се насочи слънчев или лазерен лъч към плуващата във вана пластина, нанотръбите се нагряват и съответно затоплят водата наоколо. Това води до понижаване на повърхностното напрежение съсредоточено около едната част на пластината. Вследствие тя се избутва навън от тази зона на ниско напрежение.
Други подобни системи променят повърхностното напрежение чрез електрически импулси, но това изисква източник на енергия, бил той и слънчева батерия. „Нашето решение е по-добро, защото прескачаме междинния преобразувател и така се извършва несравнимо повече работа“, обяснява Алекс Зетл, професор по физика на кондензираната материя в Бъркли. Той ръководи изследователски екип заедно с Джийн Фреше, професор по химия и химическо инженерство. „Мисля, че сме по следите на нещо голямо, защото повърхностното напрежение е мощен източник на енергия“, твърди Зетл.
На този етап, екипът от Бъркли е демонстрирал два съвсем прости „слънчеви“ механизма. Първият е пластина, която служи като правоъгълен плавателен съд. По ръба й е вдълбана ивица от нанотръби. Когато се насочи лазер или пречупена през леща слънчева светлина към средата на ивицата от нанотръби или към нейните краища, плавателния съд се движи, съответно или право напред, или в кръгчета. Тази импровизирана лодка достига скорост от 8см/сек. Вторият механизъм представлява витло с ивица от нанотръби по края на всяка перка. На директна слънчева светлина достига 70 оборота в минута. И двата механизма са изпитвани само в лабораторни условия.
„Това са съвсем елементарни неща, но не биха могли възможни без високотехнологичните материали, до които вече имаме достъп“, разказва Зетл. По-рано този месец изследователи в японския университет Мейджо установиха, че когато въглеродните нанотръби са подредени нагъсто, във вертикални редици, които погледнати отгоре наподобяват множество дървета в гора, се получава най-черният материал, който учените някога са виждали. Той поглъща почти сто процента от падащата светлина. „Този материал има идеалните свойства да събира слънчевата енергия“, отбелязва Фреше.
Според Зетл и Фреше, на теория тези топлинни ефекти върху повърхностните напрежения би трябвало да се запазят същите, ако се промени мащабът на елементите. Изследователите от Бъркли експериментират с механизми с големина от порядъка на милиметри, не само защото са удобни за лабораторна работа, но и заради интересните явления, които могат да се наблюдават при обекти с такива размери. „Турбуленцията е съществен фактор, който се наблюдава, когато сведем мащаба до милиметри“, обяснява Зетл. Слънчевият наномеханизъм би могъл да се използва, за да придвижва обекти с наноразмери през микрофлуидни устройства в медицинската диагностика. „При наномащаба, казва Фреше, повърхностното напрежение преодолява гравитацията“. Учените се надяват да могат да създадат истински лодки на същия принцип. Ако на палубата на голяма лодка се монтират лещи, които да концентрират достатъчно слънчева светлина върху слой от нанотръби, реално може да се създаде нов тип двигател. Те също искат да изпробват и задвижваното от слънцето витло.
„Сега им предстои да проверят дали всичко това наистина ще заработи в реални условия“, коментира Дийн Алхорн, водещ инженер за соларния сателит „Наносейл-Д“ на НАСА. Сателитът изпробван това лято, ще се задвижва изцяло от слънчева енергия, като използва отразяващ материал, който абсорбира механичната вместо топлинната енергия от фотоните. Тази технология може да свърши работа в космоса, но е неприложима за Земята. Алхорн смята, че Зетл и Фреше са демонстрирали по убедителен начин, че именно светлината, а не нещо друго, задвижва пластините. Това е факт, обаче, само в неподвижната вода на лабораторните вани. Алхорн напомня, че пред учените стои въпросът: „А дали така ще се произведе достатъчно енергия, която да преодолее насрещните сили, като например морски вълни?“
Изследователите от Бъркли признават, че им предстои още много работа по усъвършенстването на техните устройства. „Механизмът може да бъде изключително ефективен, защото нанотръбите поглъщат слънчевата енергия прекрасно, но тепърва ще узнаем дали можем да го превърнем в рентабилен модел.“
По материали на Текнолъджи ривю