211service.com
Wykorzystanie bezpośredniej energii słonecznej do napędu
Słońce jest najbogatszym źródłem energii odnawialnej. Jednak wszystkie technologie wykorzystujące światło słoneczne, w tym fotowoltaika i biopaliwa, wymagają etapów pośrednich i infrastruktury, aby zamienić promienie słoneczne w coś, co można wykorzystać do wykonywania pracy w maszynie. Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley wykorzystują nanorurki węglowe do budowy małych, prostych maszyn na bazie wody, napędzanych bezpośrednio światłem słonecznym. Teoretycznie, mówią, te maszyny można by rozbudować, aby wytwarzać pompy generujące energię bezpośrednio zasilane przez słońce.
Wirowanie słoneczne: Czterożebrowy wirnik (w środku) unoszący się na wodzie wiruje pod wpływem światła słonecznego. Po lewej stronie znajduje się soczewka służąca do kierowania światła słonecznego na rotor; jasny kształt obok wirnika odbija światło słoneczne.
Maszyny zasilane energią słoneczną opierają się na napięciu powierzchniowym wody. Cząsteczki wody są silnie przyciągane do siebie. Te wysokoenergetyczne interakcje mogą, w odpowiednich warunkach, przeciągać obiekty po wodzie. Maszyny Berkeley to kawałki przezroczystego plastiku o długości około centymetra na najdłuższej krawędzi, osadzone w paski pionowo ustawionych nanorurek węglowych. Gdy światło słoneczne lub lasera skupione jest na maszynie unoszącej się na wodzie, nanorurki nagrzewają się i podgrzewają otaczającą je wodę. Powoduje to zmniejszenie napięcia powierzchniowego zlokalizowanego w jednym obszarze maszyny, która z kolei jest wypychana do przodu z dala od części powierzchni o niskim napięciu.
Inne podobne systemy łamią napięcie powierzchniowe za pomocą impulsów elektrycznych, ale wymaga to źródła zasilania, takiego jak bateria lub ogniwo słoneczne. Jest to lepsze, ponieważ eliminujesz pośredników i dostajesz dużo pracy, mówi Alex Zettl , profesor fizyki materii skondensowanej w Berkeley, który kierował zespołem badawczym z Jean M.J. Fréchet , profesor chemii i inżynierii chemicznej. Myślimy, że jesteśmy na dobrej drodze, ponieważ napięcie powierzchniowe jest bardzo silne, mówi Zettl.
Jak dotąd zespół z Berkeley zademonstrował dwie podstawowe maszyny zasilane energią słoneczną. Pierwsza, plastikowa prostokątna łódka z paskiem nanorurki z tyłu, wykonuje ruch liniowy. Kierując światło lasera lub używając soczewki do skupiania światła słonecznego na środku paska nanorurki lub na jego rogach, łódź może być skierowana prosto do przodu lub po okręgu. Gdy światło zostanie na nim skupione, łódź o długości około centymetra może płynąć z prędkością do ośmiu centymetrów na sekundę. Druga maszyna to prosty wirnik z jednym paskiem nanorurek po jednej stronie każdej z czterech płetw. Pod wpływem bezpośredniego światła słonecznego obraca się z prędkością około 70 obrotów na minutę. Obie maszyny zostały przetestowane tylko w pojemnikach w laboratorium.
Sadza: Pionowe układy nanorurek węglowych, pokazane tutaj, osadzone w przezroczystym polimerze, pochłaniają prawie całe padające na nie światło słoneczne. Ta skaningowa mikrofotografia elektronowa pokazuje krawędź jednej z łodzi.
To całkiem proste, ale jest to możliwe dzięki wyrafinowanym materiałom, mówi Zettl. Na początku tego miesiąca naukowcy z japońskiego Uniwersytetu Meijo ustalili, że nanorurki węglowe ułożone w przypominające lasy, pionowe układy są najczarniejszy materiały, jakie kiedykolwiek testowano, pochłaniając prawie całe światło, które na nie pada. Ten materiał ma idealne właściwości do gromadzenia energii słonecznej, mówi Fréchet.
Zettl i Fréchet twierdzą, że teoretycznie te efekty termicznego napięcia powierzchniowego powinny być skalowalne. Grupa z Berkeley zaczęła od maszyn w skali milimetrowej nie tylko dlatego, że były wygodne do testowania w laboratorium, ale także dlatego, że manipulowanie przedmiotami tej wielkości w cieczy stanowi szczególne wyzwanie. Turbulencja to ogromny czynnik w skali milimetrowej, mówi Fréchet. Zasilany światłem mechanizm mógłby potencjalnie zostać wykorzystany do przenoszenia obiektów w nanoskali za pomocą urządzeń mikroprzepływowych stosowanych w diagnostyce medycznej. W nanoskali, mówi Fréchet, napięcie powierzchniowe bije grawitację. Naukowcy mają również nadzieję na zwiększenie skali swojej pracy, aby stworzyć prawdziwe łodzie. Soczewki zamontowane z tyłu dużej łodzi powinny skupiać wystarczającą ilość światła słonecznego na chłonnych nanorurkach, aby je napędzać. Mają także nadzieję, że uda im się stworzyć duże wirniki z osadzonymi nanorurkami do generatorów zasilanych energią słoneczną.
Teraz muszą sprawdzić, czy to zadziała w rzeczywistym środowisku, mówi Dean Alhorn, główny inżynier satelity napędzanego energią słoneczną NASA NanoSail-D . Satelita NASA, który był testowany tego lata, wykorzystuje odblaskowy materiał do pochłaniania pędu, a nie ciepła, fotonów; ta technologia powinna dobrze działać w próżni kosmicznej, ale nie była praktyczna na Ziemi. Alhorn mówi, że Zettl i Fréchet solidnie pokazali, że to światło, a nie coś innego, powoduje ruch maleńkich łódek. Zauważa jednak, że maszyny były testowane tylko w wanienkach z wodą wewnątrz laboratorium. Alhorn mówi, że naukowcy będą musieli odpowiedzieć na pytanie, ile siły mogą wytworzyć w porównaniu z przeciwnymi siłami, takimi jak fale w prawdziwym świecie?
Rzeczywiście, naukowcy z Berkeley twierdzą, że ich następnym krokiem jest dalsza inżynieria ich urządzeń. Może to być bardzo wydajne, ponieważ nanorurki tak dobrze absorbują światło, ale musimy sprawdzić, czy jest to opłacalny system termodynamiczny, mówi Zettl.