Zamiast spalać paliwa kopalne w celu wytapiania stali i gotowania cementu, szwajcarscy naukowcy chcą wykorzystywać ciepło słoneczne. Badanie weryfikujące koncepcję, opublikowane 15 maja w czasopiśmie Device, wykorzystuje syntetyczny kwarc do wychwytywania energii słonecznej w temperaturach przekraczających 1000°C (1832°F), demonstrując potencjalną rolę tej metody w dostarczaniu czystej energii dla branż wysokoemisyjnych.
„Aby stawić czoła zmianom klimatycznym, musimy ogólnie zdekarbonizować energię” – mówi autor korespondenta Emiliano Casati z ETH Zurich w Szwajcarii. „Ludzie zwykle myślą o elektryczności jedynie jako o energii, choć w rzeczywistości około połowa energii jest wykorzystywana w postaci ciepła”.
Szkło, stal, cement i ceramika stanowią serce współczesnej cywilizacji, niezbędne do budowy wszystkiego, od silników samochodowych po drapacze chmur. Jednakże produkcja tych materiałów wymaga temperatur przekraczających 1000°C i w dużej mierze opiera się na spalaniu paliw kopalnych w celu uzyskania ciepła. Branże te odpowiadają za około 25% światowego zużycia energii. Naukowcy zbadali alternatywę w zakresie czystej energii wykorzystującą odbiorniki słoneczne, które koncentrują i wytwarzają ciepło za pomocą tysięcy luster śledzących słońce. Jednakże technologia ta ma trudności z efektywnym przesyłaniem energii słonecznej powyżej 1000°C.
Aby zwiększyć wydajność odbiorników słonecznych, Casati sięgnął po materiały półprzezroczyste, takie jak kwarc, które mogą zatrzymywać światło słoneczne – zjawisko zwane efektem pułapki termicznej. Zespół stworzył urządzenie wychwytujące ciepło, mocując pręt z syntetycznego kwarcu do nieprzezroczystego krążka krzemowego jako pochłaniacza energii. Kiedy wystawili urządzenie na strumień energii równoważny światłu pochodzącemu ze 136 słońc, temperatura płyty absorbera osiągnęła 1050°C (1922°F), podczas gdy drugi koniec pręta kwarcowego utrzymywał temperaturę 600°C (1112°F).
„Poprzednie badania wykazały efekt pułapki termicznej jedynie do 170°C (338°F)” – mówi Casati. „Nasze badania wykazały, że termiczne wychwytywanie energii słonecznej działa nie tylko w niskich temperaturach, ale znacznie powyżej 1000°C. Jest to kluczowe, aby pokazać jego potencjał w rzeczywistych zastosowaniach przemysłowych”.
Wykorzystując model wymiany ciepła, zespół przeprowadził także symulację skuteczności wychwytywania ciepła przez kwarc w różnych warunkach. Model pokazał, że wychwytywanie termiczne umożliwia osiągnięcie temperatury docelowej przy niższych stężeniach przy tej samej wydajności lub przy wyższej wydajności cieplnej przy takim samym stężeniu. Na przykład najnowocześniejszy (nieekranowany) odbiornik ma sprawność 40% przy 1200°C i koncentracji 500 słońc. Odbiornik ekranowany kwarcem o średnicy 300 mm osiąga sprawność 70% przy tej samej temperaturze i stężeniu. Nieekranowany odbiornik wymaga koncentracji co najmniej 1000 słońc, aby uzyskać porównywalną wydajność.
Casati i jego współpracownicy optymalizują obecnie efekt wychwytywania ciepła i badają nowe zastosowania tej metody. Jak dotąd ich badania są obiecujące. Badając inne materiały, takie jak różne płyny i gazy, udało im się osiągnąć jeszcze wyższe temperatury. Zespół zauważył również, że zdolność tych półprzezroczystych materiałów do pochłaniania światła i promieniowania nie ogranicza się do promieniowania słonecznego.
„Kwestia energetyczna jest kamieniem węgielnym przetrwania naszego społeczeństwa” – mówi Casati. „Energia słoneczna jest łatwo dostępna, a technologia już istnieje. Aby naprawdę zmotywować branżę do przyjęcia, musimy wykazać opłacalność ekonomiczną i zalety tej technologii na dużą skalę”.