Zvětšit obrázek

Laboratorní verze PETE systému s katodou z nitridu galia s povrchovou vrstvičkou cesia. Rozehřátá září vpravo uvnitř komory a vlivem působení světla i tepla produkuje proud elektronů. Kredit: Nick Melosh/Standford University

Nový typ solárních článků, které transformují v elektřinu jak světlo, tak i teplo, na které se promění jinak nevyužitelná část slunečního záření, by mohl být cestou k efektivnějšímu využití této volně dostupné energie. Alespoň to tvrdí kalifornští vědci, kteří si dali svůj kombinovaný systém výroby elektrického proudu pro jistotu patentovat. Kdyby se jim i v praxi podařilo dosáhnout teoreticky odhadovanou účinnost až 60 % při finančních nákladech srovnatelných s fosilními zdroji (na 1 kWh vyprodukované energie).

U standardních polovodičových fotovoltaických buněk energie dopadajících fotonů umožní valenčním elektronům v katodě vymanit se z elektromagnetického vězení atomů a nasměrovat si to k anodě. Na tento účel se ze slunečního záření dá využít jenom část spektra. Většina fotonů se buď odrazí, nebo proměňuje na teplo, které účinnost článků snižuje.

Pak je ještě jiná možnost – sluneční energii koncentrovat a využít na ohřev. Již v roce 1883 Thomas Alva Edison zjistil, že rozžhavený kov emituje volné elektrony. Až o třicet let později, v r. 1915, W. Schlichter navrhl, jak by se tento jev dal využít pro výrobu elektřiny, ale na uskutečnění tohoto cíle si lidstvo počkalo dalších 40 let. I když v šedesátých až osmdesátých letech 20. století zejména Američané a Sověti pracovali, dokonce i spolupracovali na vývoji termionických konvertorů, které využívali například v astronautice, pro nízkou efektivitu se jako zdroj energie tento způsob nerozšířil.

Zvětšit obrázek

Poměrně jednoduchý princip termionického měniče – vysokým teplem uvolněné elektrony proudí z rozžhavene katody na chladnější anodu.

Nick Melosh a jeho kolegové z americké Stanford University nyní v časopisu Nature Materials publikovali článek o prvních testech nového typu zařízení, jež spojuje oba procesy – fotovoltaický i termionický. Energie fotonů uvolňuje elektrony z katody přímo, i proměněná na teplo. Zdá se to být logické a tak se nabízí otázka, proč doposud to nikdo takto neskloubil? Není to tak jednoduché, jak se na první pohled zdá. Fotovoltaickým článkům teplota nesvědčí a nad 100 ^oC prudce klesá jejich účinnost. Klasické termionické měniče jsou jakž-takž efektivní (20 %) až nad 1000 ^oC a na dosažení této teploty se musí fokusovat intenzivní sluneční světlo z poměrně velké plochy. Navíc anoda, na rozdíl od žhavené katody, musí být mnohem chladnější a obě elektrody musí být uzavřené ve vakuové komoře. Kombinovaný systém, který vědci ze Standfordské university vyvinuli a pojmenovali PETE - Photon enhanced termionic emission, by měl po zdokonalení dosáhnout celkem zajímavé hodnoty účinnosti již nad 200 ^oC a maximum již pod 1000 ^oC. To je pro běžné fotovoltaické systémy moc a pro termionické málo.

I když mediální zprávy (jako obvykle) mírně přehánějí a předpovídají slibnou budoucnost, zůstaňme zatím nohama na zemi a řekněme si holou pravdu: i když Melosh a jeho kolegové mluví o možné účinnosti PETE 50 až 60 %, sami zatím v laboratoři nedosáhli ani celé procento. Ale dosavadní experimenty jsou prvním krokem na cestě, jejíž směr se zdá být nadějný. Alespoň pro oblast slunné Kalifornie. Vědci při teplotách mezi 200 a 400 ^oC zkoumali závislost efektivity nového systému od složení katody, její teploty a vlnové délky světla, kterým ji ozařovali. Nejlépe se osvědčila vrstvičkou cesia pokrytá elektroda z nitridu galia GaN. Jde o polovodičový materiál běžně používaný ve svítících diodách, takzvaných LED-kách (light emitting diode). Meloshův tým ale má v plánu vyzkoušet další polovodiče, například arsenid galia, nebo technické diamanty s vnitřní strukturou obohacenou atomy fosforu, nebo slitiny germania s křemíkem.

Zvětšit obrázek

V kalifornské poušti Mojave se za Sluncem otáčí asi 30 tisíc vysoce reflexních parabol koncentrujících sluneční záření do Stirlingova systému, který proměňuje teplo v elektrický proud. Nový solární článek by prý mohl téměř zdvojnásobit účinnost tohoto systému.

První, již v praxi využitelné prototypy PETE článků by měly být k dispozici již za tři roky, což je Meloshův dosti odvážný závazek. Foto-termočlánky nebudou součástí rovných ploch, jaké známe u solárních panelů, ale budou umístěny do ohnisek zrcadlových parabol soustřeďujících sluneční energii do malých terčů. Na tomto principu pracují systémy, které proměňují teplo získané z koncentrovaného záření na mechanickou energii rozpínajícího se plynu (např. vodní páry), který pohání rotor elektrického generátoru. Vypadá to sice archaicky, ale v jižní Kalifornii elektrárna na tento takzvaný Stirlingův systém dosahuje výkon 500 megawattů. A právě PETE systém v ohniscích parabol by prý mohl podstatně zvýšit míru využití fokusované sluneční energie ze současných maximálních 31 % u stávající tepelné konverze, nebo rekordních 42 % u nejkvalitnější fotovoltaiky využívající koncentrované světlo, na zmíněných slibovaných 50 – 60 %. Taková je vize založená na teoretických předpokladech. Účinnost kombinované foto-tepelného PETE tranformačního systému totiž závisí od intenzity světla. Když se parabolou znásobí množství na katodu dopadajícího slunečního záření 100 krát oproti běžnému ozáření v kalifornské pálavě, účinnost by měla být 32%, když 3000 krát, měla by stoupnout na 47 %. Ale i při chabých 20 procentech účinnosti, když se PETE zkombinuje s používaným Stirlingovým elektrickým generátorem, se prý výsledná hodnota vyšplhá na zajímavých 44 %.

Základní princip foto-termo článků PETE:

Zvětšit obrázek

Zvětšit obrázek

Systém PETE – polovodičová katoda pro emitování elektronů vyžaduje sluneční světlo soustředěné parabolickým reflektorem. Kredit: Nick Melosh/Standford University

Energetický diagram PETE: 1) fotony z vhodné oblasti spektra slunečního záření dodají elektronům ve valenčním pásu (valence band – VB) GaN polovodiče dostatek energie na překonání vazebné energie, uvolnění se z atomů a přechod do vodivostního pásu (conduction band – CB). Tento energetický rozdíl definuje šířku takzvaného zakázaného pásu, který u PETE je v rozsahu 1,2 - 1,6 eV. 2) vysoká teplota napomáhá rozptylu elektronů, umožňuje jim překonání energetické bariéry ΦB a uvolnění se z povrchu katody do vakuové komory. 3) Hromadění se náboje na chladnější anodě. Výkon je přibližně rozdíl výstupní práce obou elektrod ΦC-ΦA. Oddělení obou elektrod vakuem zamezuje vzniku případných reverzních proudů.

Nick Melosh o systému PETE

Možná jde o mírně nadsazená, čistě teoreticky vypočtená čísla a reálné laboratorní testy alespoň prozatím tolik optimizmu neskýtají, jenom potvrzují, že "by to mělo jít". Samotná koncepce je jistě zajímavá a poskytuje velký prostor pro inovace a využití nových polovodičových materiálů. My, bez ohledu na klimatickou hysterii, jednou řešit problém s fosilními palivy budeme muset. Jaderná fúze je během na velice dlouhou trať, „klasická“ jaderná energetika se vlivem „osvícených“ aktivistů různého druhu přesouvá na asijský kontinent a doufejme, že se zde bude zdokonalovat a počká, až všichni ve vyspělé Evropě pochopí, že biomasa může dost neekonomickým a ne zcela ekologickým způsobem produkovat energii tak pro příruční elektrárnu fungujícího zemědělského družstva, případně část vesnice, když je čím bez přestávky krmit fermentační nádrže. I zkrášlení krajiny větrnými mlýny přináší kromě estetických i ekologické a energetické problémy kombinované s více než diskutabilní ekonomickou „výhodností“.

Samozřejmě, že ani využití sluneční energie není bezproblémové a někteří solventnější investoři ho nyní považují za zdroj dobrých investic v naději na získání státních a evropských dotací. Pojmy jako ekologie a trvale udržitelný rozvoj používají spíše jako zaklínadla a opakující se mantry, než upřimně myšlená hesla. Málokdo si také uvědomuje, že fotovoltaika produkuje jednosměrný proud a transformace na střídavý si vybírá daň v podobě dalších ztrát. Přes tato veškerá úskalí faktem je, že sluneční záření představuje z hlediska naší existence nevyčerpatelný zdroj vskutku „ekologické“ energie, jež nám teď v létě někdy až nepříjemně prohřívá střechy a zdi domů, topí asfalt silnic. Možná je to nerealistická sci-fi představa, ale snad se jednou podaří krůček po krůčku vytvořit funkční i ekonomicky dostupný systém využití tohoto zdroje tak, abychom nemuseli pokrývat obrovské půdní plochy soustavou solárních panelů, ale aby tvořil například působivé mozaiky na střechách, nebo i zdech domů, případně chodnících. Abychom dokázali to, co uskutečnila evoluce, když „vymyslela“ fotosyntézu a díky ní celý ten rozmanitý nádherný svět rostlin a živočichů. My sami jsme - kromě jiného - i energií slunečních fotonů fotosyntézou transformovaných do chemických vazeb uhlovodíků.

Zvětšit obrázek

Případní mimozemšťané budou pravděpodobně nebezpeční a lidstvo by mělo vážně uvažovat o brzké dobyvatelské cestě do vesmíru, aby přežilo - myšlenky Stephena Hawkinga, které teď oběhly mediální svět.

Proto výzkum tímto směrem, i kdyby byl méně úspěšný, má bezpochyby větší význam než předhánění se v soutěži který klimatický model předpoví úděsnější rok 2100. Nebo víc než diskutabilní úvahy o osídlování vesmíru, i když třeba pocházejí od samotného Stephena Hawkinga. Proslulý fyzik se obává kolapsu pozemské civilizace a brzkého vyčerpání přírodních zdrojů. Jenže zdrojů čeho? Fosilních paliv? Kde jinde ve vesmíru bychom je - s výjimkou metanu se stupněm varu -161,6 ^oC - našli? Rudná ložiska? Za jejich vznik často vděčíme geologickým procesům, na kterých se podílí dynamika zemské kůry, voda a kyslík – díky jim vznikly například ložiska uranu, nebo železných rud. Na jenom trochu odlišné planetě bychom je nemuseli najít vůbec. Co bychom dělali na souši ze ztuhnuté lávy? Obsahuje všechny potřebné prvky, ale v koncentracích a ve formě, která ani v příznivých pozemských podmínkách není vhodná jako surovina, natož ji zpracovávat v prostředí, kde je prvořadá otázka holého přežití. A protože jsme organizmy, jenž se vyvinuly v pozemských podmínkách, uzpůsobené na ně jsou i naše technologie. Nejen pro život, ale i pro zpracování případných zdrojů bychom nutně potřebovali kyslík, hodně kyslíku. A vodu. Hodně vody. Kde bychom takovou druhou Zemi našli a hlavně, jak na ní přepravili dostatečné množství lidí i se vším potřebným?

O co jednodušší by bylo osídlení Sahary (což by vedlo k mnohým netušeným ekologickým dopadům), než třeba zde za rohem, na Marsu, vybudovat „menší“ stanici pro dočasný pobyt stovky lidí. Ti by v podmínkách podobných kosmické lodi měli mít čas a všechny technické možnosti přetvářet okolní prostředí při průměrné vnější teplotě –60 ^oC. Těžko se dá tahle myšlenka racionálně domyslet, natož uskutečnit. I když osídlování vesmíru prosazuje samotný Hawking. Jsme bytostně spjatí s touto planetou a je astronomicky málo pravděpodobné, že bychom ve vesmíru našli co jen srovnatelně pohostinný a bezpečný domov. Důvod je jednoduchý – evoluce nás pro něj uzpůsobila. Každé jiné místo si my budeme muset přizpůsobit podle vzoru naší planety.

Zdroje: Standford University 1, 2,  Nature Materials, Big Think