Laser femtosekundowy pozwala na tworzenie nowych struktur
Klucz do sukcesu tkwi w zastosowaniu lasera femtosekundowego do modyfikacji struktury powierzchni metali. Zespół pod kierunkiem Chunlei Guo poddał takiej obróbce wolfram po stronie nagrzewanej oraz aluminium po chłodnej stronie urządzenia. W efekcie materiały zyskały zupełnie nowe właściwości – zaczęły znacznie efektywniej absorbować światło i oddawać ciepło. Działanie całego systemu opiera się na efekcie Seebecka, czyli zjawisku fizycznym, w którym różnica temperatur między dwoma punktami materiału prowadzi do powstania napięcia elektrycznego. Laserowa obróbka umożliwiła osiągnięcie znacznie większych gradientów temperatury niż w tradycyjnych konstrukcjach.
Przez dziesięciolecia społeczność badawcza koncentrowała się na ulepszaniu materiałów półprzewodnikowych używanych w STEG-ach. Ta zmiana w podejściu zdefiniowała eksperyment i kierowała każdym wyborem inżynierskim – tłumaczy Chunlei Guo
Takie podejście stanowi wyraźne odejście od dotychczasowych metod badawczych. Okazuje się, że zamiast inwestować w drogie materiały o lepszych parametrach, można osiągnąć spektakularne rezultaty poprzez odpowiednie kształtowanie powierzchni. Nowy generator to tylko element większej układanki. Połączenie tradycyjnych paneli fotowoltaicznych z generatorami termoelektrycznymi może przynieść wzrost wydajności od 8 do 38 procent w porównaniu z samymi panelami. Sekret tkwi w jednoczesnym wykorzystaniu zarówno światła, jak i ciepła słonecznego, które standardowe instalacje często marnują.
Czytaj też: Rolls-Royce testuje morski silnik na metanol. To ważny krok dla ekologii transportu
Naukowcy eksperymentują również z układami wykorzystującymi skoncentrowane ogniwa fotowoltaiczne. Dzięki postępom w dziedzinie materiałów termoelektrycznych, hybrydowe rozwiązania mogą osiągać sprawność przekraczającą 50 procent. To więcej niż dwukrotność tego, co oferują obecne domowe instalacje. Ciekawym elementem tych systemów są materiały zmiennofazowe, które pełnią funkcję magazynów cieplnych. Działają jak termiczny bufor: gromadzą nadmiar ciepła w okresie największego nasłonecznienia i stopniowo je uwalniają, co pozwala na dłuższą i efektywniejszą pracę generatora.
Zastosowania nowej technologii: od codziennej elektroniki po badania w ekstremalnych warunkach
Potencjalne zastosowania tej technologii wykraczają daleko poza standardowe instalacje domowe. Szczególnie obiecująco wygląda perspektywa wykorzystania jej w sieci urządzeń IoT – niewielkich czujników monitorujących jakość powietrza czy ruch uliczny. Samoładujące się węzły mogłyby funkcjonować przez lata bez konieczności wymiany baterii, co ma kluczowe znaczenie w trudno dostępnych lokalizacjach. Elektronika noszona to kolejny obszar, w którym nowa technologia może znaleźć zastosowanie. Wyobraźmy sobie inteligentny zegarek, który nigdy nie wymaga ładowania, ponieważ czerpie energię z różnicy temperatur między ciałem użytkownika a otoczeniem. Zdalne stacje badawcze w rejonach polarnych lub na pustyniach mogłyby działać autonomicznie, wykorzystując słońce jako źródło energii nawet w najtrudniejszych warunkach.
Czytaj też: UOKiK wykrył nieprawidłowości w 94% pomp ciepła spoza UE. Szokujący wynik raportu
Główną przeszkodą pozostają koszty, gdyż materiały termoelektryczne są drogie, a ich wpływ na całkowitą moc wyjściową wciąż pozostaje ograniczony. Systemy łączące panele fotowoltaiczne z generatorami termoelektrycznymi kosztują znacznie więcej niż same panele, co stanowi poważną barierę ekonomiczną. Naukowcy szacują, iż prawdziwy przełom nastąpi, gdy uda się opracować materiały o współczynniku dobroci termoelektrycznej przekraczającym wartość 2. Wówczas wydajność układów hybrydowych mogłaby osiągnąć około 25 procent, czyniąc je opłacalnymi ekonomicznie. Pojawiają się również pytania dotyczące trwałości takich rozwiązań w obliczu wpływu kurzu, wilgoci i skrajnych temperatur. Mimo tych wyzwań, przyszłość rysuje się w optymistycznych barwach. Eksperci przewidują, że do 2050 roku technologie słoneczne mogą odpowiadać za 30-50 procent globalnej produkcji energii elektrycznej. Innowacje takie jak generator z czarnym metalem czy systemy hybrydowe mogą znacząco przyspieszyć tę transformację, jednocześnie zmniejszając emisję dwutlenku węgla i optymalizując wykorzystanie odnawialnych źródeł energii.