Sólin sest í Palo Alto í Kaliforníu og stjörnubjartur himinn opinberar sig yfir Stanford University.
Allt er með ró og spekt en þó hafa ekki allir gengið til náða.
Uppi á þakinu á einni byggingu háskólans er lítill hópur eðlisfræðinga og rafmagnsverkfræðinga önnum kafinn við byltingarkennda tilraun.
Hér í köldu næturloftinu hafa þeir sett upp búnað sem getur umsnúið öllu því sem við erum vön að hugsa um sólarorku.
Vísindamennirnir kanna mælitæki sín og skrásetja síðan stórbrotnar niðurstöður: Uppfinning þeirra myndar straum – ekki þrátt fyrir, heldur vegna hins myrka, kalda næturhimins.
Vísindamennirnir hafa fundið upp öfugar sólarsellur.
Meðan venjulegar sólarsellur veita straum þegar geislar sólar skella á þeim myndar þessi tækni rafmagn þegar varmi sólar snýr aftur út í fimbulkaldan geiminn.
Þessi byltingarkennda tækni er kölluð neikvæð lýsing og með henni hefur heimurinn fengið nýja og einstaka gerð samfelldrar orku.
⇒ Kuldi alheims skapar rafstraum
Varmageislun stígur upp frá jörðu
Yfir daginn hitar sólin jörðu en um nætur yfirgefur varminn jörðina aftur – í formi innrauðrar geislunar sem við getum ekki séð.
Kuldi geimsins „togar“ varma til sín.
Geimurinn er -270,43°C, rétt ofan við alkul. Varmi leitar alltaf mót kulda þannig að varmi jarðar leitar út í geim.
Varmastreymi skapar rafmagn
Varminn fer í gegnum öfugar sólarsellur þar sem varmastreymið kemur rafeindum á hreyfingu sem myndar rafmagn.
Tæknin getur leitt til smíði sólarsella sem virka allan daginn, því þær geta bæði myndað rafmagn á daginn og um nætur.
Auk þess geta öfugar sólarsellur myndað straum úr heitum reyk sem rýkur upp úr skorsteinum á verksmiðjum. Og þessi uppgötvun getur reynst sú orkulind sem við þurfum á að halda til að geta hafið búsetu á Mars.
Varmi kælir hús
Fyrirrennara þessara öfugu sólarsella er að finna í kælitækni.
Gríðarmikil orka fer í að kæla hús – t.d. í BNA þar sem 15% af allri orkunotkun sem notuð er í byggingar fer í loftkælingu.
Minnka mætti rafmagnsnotkunina ef varmi gæti bara streymt út í geim í stað þess að loftræstikerfi þurfi að fjarlægja hann.
Þessi hugmynd fékk vísindamenn við Stanford árið 2014 sem standa að öfugum sólarsellum til að byggja ofn sem kælir loftið í krinugm sig í stað þess að hita það upp.
Þessir öfugu ofnar taka varma úr loftinu og senda hann að kulda geimsins.
Vísindamennirnir hönnuðu ofnananna til að senda frá sér varmann – með innrauðri geislun – á tilteknum bylgjulengdum sem geta sloppið í gegnum gös lofthjúpsins sem annars hamla geisluninni.
Ofninn kældi bygginguna fyrir neðan og það varð til þess að vísindamenn spurðu sjálfa sig: Hvað ef nýta má kulda geimsins ekki aðeins til kælingar heldur einnig sem orkulind?
Öfug sólarsella byggir á kenningum um gufuvélar
Árið 1824 komst eðlisfræðingurinn Sadi Carnot að því að gufuvélar virka vegna þess að varmi streymir ætíð að kulda og að þetta varmastreymi umbreytist í hreyfingu. Í gufuvélinni fær varminn gufuna til að þenjast út þannig að hún ýtir við stimpli og eftir það losnar gufan við varmann á ný.
Þetta má yfirfæra í hvaða vél sem er sem virkar vegna mismunar á hitastigi. Í bensínmótor myndast hreyfing þegar loft sem er hitað upp við bruna bensíns þenst út og þrýstir á stimpil. Varminn getur einnig fengið rafeindir til að hreyfast og það nýta vísindamenn sér nú með öfugri sólarsellu sem þeir hafa nýverið þróað.
Gömul kenning endurlífguð
Hugmyndin um að uppskera orku frá varma sem streymir mót kulda nær allt aftur til ársins 1824.
Þá fékk franski eðlisfræðingurinn Sadi Carnot snilldarhugmynd eftir að hann hafði ígrundað hvers vegna gufuvélar virka eins og raun ber vitni.
Honum varð ljóst að hitastigsmun má yfirleitt breyta í hreyfingu, þar sem varmi streymir ævinlega að kulda og varmastreymið getur komið hlutum á hreyfingu á leiðinni.
Hann kom einnig fram með jöfnu sem sýnir hve mikla mekaníska orku gefinn hitastigsmunur geti í besta falli veitt.
Vísindamennirnir við Stanford hafa þannig tekið þessa næstum 200 ára gömlu hugmynd sér til handargagns. Jörðin er heit miðað við geiminn, þar sem hún verður stöðugt fyrir geislun sólar.
Hitastigsmunurinn getur komið hlutum á hreyfingu og rafmagn samanstendur af rafhlöðnum ögnum – yfirleitt rafeindum – sem hreyfast.
Því hlýtur að vera mögulegt, hugsuðu vísindamennirnir, að hanna rafbúnað sem getur náð raforku úr kulda geimsins þar sem hitastigið er allt niðri við -270,42°C, einungis 2,73 gráðum yfir alkuli.
Geimkuldinn býr til rafstraum
Þegar varmi jarðar stígur upp og út í geim dregur hann orku með sér. Þess vegna hreyfast rafeindirnar hægar efst í öfugri sólarsellu og þetta skapar spennumun sem fær straum til að fara um í hringrás.
Varmi eykur hraða rafeindar
Við stofuhita þjóta rafeindir um í tilfallandi áttir í efni sem samanstendur af kvikasilfri, kadmium eða tellúri. Efnin eru valin því þau geta umbreytt innrauðri geislun í straum óháð því hvort þau taka á móti eða senda frá sér geislunina. Þar sem allar rafeindir fara jafn hratt er hleðslan eins í öllu efninu.
Kuldi bremsar rafeindir
Þegar heita efnið í sólarsellunni verður fyrir kulda frá geimnum um nætur sendir efnið varmageislun í formi innrauðra ljóseinda. Hver ljóseind ber orku burt frá efninu og orkan er tekin frá rafeindunum sem missa því hraða í efsta hluta sólarsellunnar sem snýr að geimnum.
Spenna skapar straum
Munurinn á fjölda hraðskreiðra rafeinda efst og neðst skapar spennumun því að fleiri rafeindir fyrir neðan fara frjálst um. Spennumunurinn knýr straum í hringrás því rafeindirnar hreyfa sig frá neikvætt hlöðnum endanum til þess jákvætt hlaðna til að jafna út ójafnvægið.
Geimkuldinn býr til rafstraum
Þegar varmi jarðar stígur upp og út í geim dregur hann orku með sér. Þess vegna hreyfast rafeindirnar hægar efst í öfugri sólarsellu og þetta skapar spennumun sem fær straum til að fara um í hringrás.
Varmi eykur hraða rafeindar
Við stofuhita þjóta rafeindir um í tilfallandi áttir í efni sem samanstendur af kvikasilfri, kadmium eða tellúri. Efnin eru valin því þau geta umbreytt innrauðri geislun í straum óháð því hvort þau taka á móti eða senda frá sér geislunina. Þar sem allar rafeindir fara jafn hratt er hleðslan eins í öllu efninu.
Kuldi bremsar rafeindir
Þegar heita efnið í sólarsellunni verður fyrir kulda frá geimnum um nætur sendir efnið varmageislun í formi innrauðra ljóseinda. Hver ljóseind ber orku burt frá efninu og orkan er tekin frá rafeindunum sem missa því hraða í efsta hluta sólarsellunnar sem snýr að geimnum.
Spenna skapar straum
Munurinn á fjölda hraðskreiðra rafeinda efst og neðst skapar spennumun því að fleiri rafeindir fyrir neðan fara frjálst um. Spennumunurinn knýr straum í hringrás því rafeindirnar hreyfa sig frá neikvætt hlöðnum endanum til þess jákvætt hlaðna til að jafna út ójafnvægið.
Kuldi getur fengið perur til að lýsa
Hugmynd þeirra um öfugar sólarsellur byggir á innrauðri ljósdíóðu sem er yfirleitt notuð í innrauða skynjara og er t.d. nýtt í nætursjónauka.
Hér umbreytir innrauð ljósdíóða varmageislun frá mönnum og dýrum í rafboð sem verða síðan sýnileg á skjá.
Vísindamennirnir sáu fyrir sér að innrauð ljósdíóða geti ekki einungis framleitt rafmagn þegar hún verður fyrir hitageislun, heldur einnig þegar hún sjálf er heit og sendir frá sér hitageislun til kaldara umhverfis – straumurinn fer bara gagnstæða átt í hringrásinni.
Hitageislunin að kaldara umhverfi „stelur“ orku sinni frá rafeindunum í ljósdíóðunni og því taka þær að hreyfast hægar í kaldari enda díóðunnar.
Þetta skapar mun í rafhleðslunni milli kalda endans og þess heita. Þegar endarnir tveir eru tengdir með rafrás munu rafeindirnar fara í gegnum hringrásina til að ná jafnvægi og sjá: straumur.
Það var með þessum hætti sem vísindamennirnir bjuggu til straum með ljósdíóðu sinni á þakinu í Palo Alto árið 2019.
Í tilraun þeirra á þakinu mældi hitamælirinn 20°C og árangurinn reyndist hins vegar einungis 64 milljörðustu hlutar úr vatti á hvern fermetra.
En vísindamennirnir hafa reiknað út að hámarka megi tæknina og ná allt að fjórum vöttum á fermetra – og þá getur öfug sólarsella á einum fermetra sem dæmi knúið LED-peru sem lýsir með sama styrk og glóðarperur gerðu með 40 vöttum.
Árið 2018 þróuðu vísindamennirnir Shanhui Fan og Wei Li sólarsellu sem kælir bygginguna fyrir neðan.
Marsstöðvar geta nýtt tæknina
Þessi nýja tækni getur framleitt umhverfisvæna orku um nætur – sem dæmi getur hún veitt ljós í myrkri fyrir þann 1,1 milljarð manna í heiminum sem ekki tengjast raforkukerfi.
Flestir þeirra búa í heitu löndunum og öfug sólarsella virkar þess betur sem jörðin er heitari miðað við geiminn.
Öfugar sólarsellur má einnig nýta til að vinna umhverfisvæna orku úr umframvarma, t.d. heitum reyk sem stígur upp úr skorsteinum á verksmiðjum, orkuverum eða stórum brennsluofnum.
Þar mun sólarsellan virkilega ná sér á strik því hún virkar betur við stærri hitastigsmismun.
Þegar vísindamennirnir að baki tækninni hituðu ljósdíóðu sína upp í 96°C gaf hún um 80 sinnum meiri straum en við 20°C.
Lestu um hugmyndir vísindamanna um öfuga sólarsellu
Vísindamenn við Stanford háskólann reikna í vísindagrein hversu mikinn straum öfug sólarsella getur skapað.
Öfugar sólarsellur geta jafnvel skipt sköpum fyrir könnun okkar á sólkerfinu.
Skyld tækni er þegar notuð í Curiosity-jeppanum á Mars sem fær straum frá rafali þar sem hitanum frá geislavirku plútóníum er breytt í straum.
Þessi nýja tækni getur myndað meira rafmagn fyrir hverja varmagráðu en núverandi aðferðir.
Og eigi manneskjan að lifa af í híbýlum á öðrum hnöttum, t.d. Mars, þurfum við á sjálfbærri orku að halda dag og nótt.
Mars er lengra frá sólu en jörðin þannig að sólarsellur eru varla mjög skilvirkar.
Hins vegar geta þessar nýju öfugu sólarsellur veitt orku alla nóttina á Mars sem er með afar þunnan lofthjúp, nánast lausan við ský sem ella myndu bremsa af geislun varmans.
