Даровете на слънцето

Изследователи от Джорджия разработват триизмерни соларни клетки

Човечеството, изглежда, няма алтернатива: съвсем скоро енергийните нужди ще бъдат много по-големи, отколкото са днес, заради непрекъснато покачващото се качество на живота ни.

Източниците на енергия като нефт и въглища, които основно употребяваме в момента, обаче са ограничени и замърсяват околната среда. Тяхното използване доведе (редом с изсичането на горите) и до промяната в климата, която заплашва не само качеството на живота ни, а и биосферата на цялата планета. Според мнозина опасно е и използването на иначе екологичната ядрена енергетика.

Енергийните ресурси на бъдещето очевидно ще се наложи да бъдат различни. Нуждаем се от възстановими източници, т.е. такива, които теоретично ще имаме вечно: например вятъра, водата и слънчевата светлина. Хубавата вест е, че природните процеси обикновено не отделят токсични отпадъци. Освен това слънчевата светлина, вятърът и движението на водата са и практически безплатни. За съжаление обаче вятърните генератори и хидроцентралите за момента не са много ефективни. За сметка на това слънцето буквално ни залива с енергия - средно с 10^17 джаула всяка секунда. Само ако можехме да я трансформираме в използваем за нас ресурс... Всъщност това е възможно - та какво друго е фотосинтезата. За съжаление не знаем как точно функционира тя. Или поне засега.

От много години учените разработват капани за слънчева енергия, наричани

Фотоволтаици, или слънчеви клетки

За жалост съществуващите модели имат твърде незадоволителна ефективност от около 14-16%. Най-общо един фотоволтаик е направен от полупроводников материал (най-често силиций), покрит със слой вещество, което улавя слънчевата радиация. Абсорбираната енергия се пренася до полупроводника и освобождава електрон. Този електрон се ускорява в дадена посока под въздействие на външно електрическо поле. И ето че вече имаме ток, или "насочено движение на електрони по затворен проводников контур", стига да свържем контакти в долния и горния край на клетката.

За съжаление абсорбиращите радиация слоеве са най-ефективни, когато светлината пада перпендикулярно върху тях. Това означава, че добивът на ток е най-висок около обед. За да заобиколят това ограничение, изследователи от Технологичния институт на щата Джорджия, САЩ, разработват триизмерни фотоволтаици (JOM 2007;59:39). Поставени на чип, те наподобяват гората от небостъргачи в центъра на някой мегаполис. Така те са способни да улавят слънчева радиация от всякакъв ъгъл. На практика тези клетки са най-ефективни сутрин и следобед, а не по обед, защото площта на "покрива" им е най-малка. "Кулите", които улавят светлината, са изградени от въглеродни нанотръби.

Тази разработка, както и създадените досега полимерни фотоволтаици, способни да заемат различни форми, биха могли да решат проблема с пространственото ориентиране. Но при този метод ефективността на разумно струващите слънчеви клетки остава около 15%. Къде бихме могли да потърсим нещо по-добро? В природата, разбира се. Изглежда, е дошло времето отново да се вгледаме във

Фотосинтезата

Това е процес, при който в листата на растенията от вода и въглероден диоксид се синтезира гликоза и се отделя кислород. Това най-общо става възможно благодарение на прибавянето на един допълнителен електрон, получен вследствие на абсорбирана слънчева енергия, към водна молекула. Фотосинтезата осигурява изначалния енергиен източник на почти целия живот на Земята (в крайна сметка изкопаемите горива също имат растителен произход, както и всичката ни храна). Забележителната черта на процеса е ефективността, с която енергия се пренася през улавящите светлина органични комплекси. Какво всъщност се случва? Растителни багрила, свързани или "закачени" за протеини, които им придават нужната пространствена ориентация, абсорбират светлина. Тези своеобразни антени се наричат хромофори и са способни да улавят енергия с определена дължина на вълната, т.е. цвят. Така хлорофилът абсорбира синя и червена светлина, но не жълта и зелена, които или отразява, или пропуска. Затова и листата на растенията са зелени. Светлинната енергия се пренася до хлорофили, намиращи се в специфично протеиново обкръжение, наречени реакционни центрове, където предизвиква трансфер на електрон от един пигмент в друг. За да се осигурят достатъчно електронни трансфери дори при слаба светлина, множество антени (100 - 5000) пренасят "слънчева енергия" до един и същ реакционен център.

Трансферът на електрон от един пигмент в друг може да се разглежда и като ток, стига да го пуснем "да пътува" по проводник, вместо да инициира биохимични реакции. Коефициентът на полезно действие на фотосинтезата е над 90%, т.е. почти цялата уловена слънчева светлина се превръща в електронен поток. Това е възможно, защото всичко се случва мигновено и енергията "няма време" да се разпилее под формата на топлина. Разшифроването на начина, по който става това природно чудо, би могло да реши на практика енергийните проблеми на човечеството.

Този въпрос анализират в момента учени от университета "Бъркли" в Калифорния, САЩ. Публикуваното в списание Nature изследване (doi:10.1038/nature05678) разкрива нещо твърде интересно и неочаквано - абсорбираната светлинна енергия се пренася по антената, без да скача от "хлорофил на хлорофил", както може да се очаква, а като вълна, която залива едновременно две или повече енергийни състояния, като така значително намалява времето за "откриване" на необходимото количество енергия (квант), което предизвиква трансфер на електрон. Защо природата постъпва точно така, става ясно, ако си припомним, че електронът може да заема само точно определени енергийни нива и да приема само съответна по количество енергия (кванти). За да бъде "преместен" електрон, е необходимо неговото енергийно ниво да бъде "намерено". Едновременното "вълново сканиране" на няколко възможни нива значително повишава скоростта на процеса и е причина за свръхвисоката ефективност на фотосинтезата.

Описаното явление е известно като квантова кохеренция и е в основата на прилагания в квантовите компютри алгоритъм на Гровел, представляващ най-бързия възможен начин за търсене на информация в неподредени бази данни. Изглежда, природата ни е изпреварила и в квантовите технологии. Да се надяваме, че нейните уроци един ден ще ни донесат толкова дългоочакваната и необходима екологична енергия.

Close
Бюлетин
Бюлетин

Вечерни новини

Най-важното от деня. Всяка делнична вечер в 18 ч.


16 коментара
  • 1
    Avatar :-|
    Анти

    Авторът явно не е много навътре в темата и затова използва смешни чуждици. Които не са приети дори като чуждици при нас ами представляват директното произнасяне на съответните термини на английски език - фотоволтаици, кохеренция... Уж вестниците трябва да са училище за правилен български език а пък то какво става. Ако нямате специалисти от съответните области дайте го на някой студент по физика да го прегледа, пак нямаше толкова смешно да е.

  • 2
    Avatar :-|
    Я. Пекунов

    И все пак квантова кохеренция е квантова кохеренция, защото квантов е квантов, а кохеренция е кохеренция. Така пише по учебниците по физика между другото. Дори из съветските от 60-те

    Също така компютър, харддиск, монитор, софтуеър и други български думи като автомобил, телевизор, радио и университет.

    Шегата настрана, ала ЕДИНСТВЕНИЯТ език за наука е английският. Няма друг и така трябва да бъде. Thus, термините са еднакви за всички по целия свят. И има разбирателство.


    Бъдете здрав.

    П.П. Фотоволтаик как го превеждате? 'Щото photo е фото в БГ, а Алесандро Волта си е волт и в мрежата на НЕК


  • 3
    Avatar :-|
    Анти

    За квантовата кохеренция може и да се съглася, в момента просто не ми идва на ум пък и лазерите не са ми толкова близки. А photovoltaic e "фотоелектричен". Фотоелектричен елемент, фотоелектричен ефект. Не е директен превод на двете думи, доста старо е и вече така се е наложило.

    По принцип преводът на техническа литература никак не е лесна работа. Трябва да работи човек в съответната професионална област защото дори един неправилен термин направо дере очите. Все едно да се говори на диалект. Затова дори от близки области да е темата пак си има риск.

  • 4
    Avatar :-|
    безотговорен редактор

    * Консумацията на енергия се повишава защото повече се ТЪРСИ, не защото се е повишило качеството на живот. Повишеното търсене, когато се задоволи, може да даде по-високо качество на живот, а може и да не даде. Това не е ли издание за икономика все пак???
    * "хидроцентрали" ??? на български - водноелектрически, иначе напомнят на млекоцентрали.... няма и как да станат много по-ефективни - вж Betz coefficient
    * "Абсорбираната енергия" ??? - на български казваме "абсорбирам" за физикохимични процеси, а енергията се излъчва / поглъща, предава (отдава) / приема (поема) и тн в зависимост от механизма
    * Алгоритъм на ГровеР, Grover's algorithm

  • 5
    Avatar :-|
    Я. Пекунов

    Да, името е Гровер. Печатна грешка. Уви, случва се.

  • 6
    Avatar :-|
    Дядо Петър

    Доколкото съм запознат, журналист в специализирано издание се става едва след като станеш специалист в съответната област.
    Което у нас изобщо не се съблюдава.
    Факултетите по журналистика бълват млади напористи кадри, които си представят, че колкото са по-нахални, толкова по ще просперират.
    Което, за съжаление, е така.

  • 7
    Avatar :-|
    Анти Дядо Петър

    Текстът е написан добре. Тези от вас, които недоволстват да си купят специализирано научно издание, където материалите ще са на едно много по-високо ниво.
    Важното е, че авторът е успял да изложи тезата си приятно и на достъпен език. Това, че има дребни пропуски не мисля, че е толкова фатално.

  • 8
    orchis avatar :-|
    orchis

    Аз пък не съм много наясно какво прави тази статия тук?!?!?

  • 9
    Avatar :-|
    Разсмян

    Ало, #4:

    "* Консумацията на енергия се повишава защото повече се ТЪРСИ, не защото се е повишило качеството на живот. Повишеното търсене, когато се задоволи, може да даде по-високо качество на живот, а може и да не даде. Това не е ли издание за икономика все пак???"

    А сега ми кажи, ако консумирам повече щото имам ipod, MAC, климатик, 54" инчов плазмен дзвер, уредба с 14 колони и вибратор, кое е първото - търсенето на ток или покачването на качеството ми на живот?

    Аман от тъпи умници.

  • 10
    Avatar :-|
    StudenT

    До #9: ами първото е търсенето на електричество, защото ако няма достатъчно електричество, то всички гореупоменати неща няма да работят.

    До Автора: Наистина. поправете ХИДРОцентралите. Навсякъде се наричат ВЕЦ (няма да влизам в подробности за различните типове). А източниците, за които говорите се наричат: ВЕИ - възобновяеми енергийни източници.


Нов коментар

За да публикувате коментари,
трябва да сте регистриран потребител.


Вход