מאמר הגות–מדעי: אנרגיה סולארית בעידן הננו:

מבוא:

האנרגיא הסולארית קיימת הרבה מאוד שנים בחיינו כשישים שנה האנרגיא הסולארית בביתנו בצורת דוד שמש עם קולטים. מאוד מעניינת העובדה שלמרות שהידע קיים הרבה זמן לא השקיעו בו מחקרים ולכן רק בעת הזאת האנרגיא הזאת מתחילה להיות מונגשת יותר לאדם מבעבר. ברור שאם היו חוקרים יותר בדבר ומשקיעים בדבר, אז היינו מגיעים למה שהגענו עד הלום בתחום זה לפני חמשים שנה בערך. התחום הסולארי הוא תחום ידוע והונח בצד במשך שנים רבות וזאת הסיבה שלא ראינו התפתחויות בתחום הזה עד כה.

כיום הפקת חשמל סולארי מתבצעת בעיקר באמצעות חוות ענק המשתרעות על פני עשרות אלפי דונמים של קולטי שמש. מודל זה אמנם מוכיח את עצמו מבחינת תפוקה, אך הוא דורש משאבים עצומים של קרקע, תשתיות ותחזוקה. אני מציעה חזון אחר: ניתן להגיע לצפיפות הספק גבוהה בהרבה מזו המקובלת כיום. כלומר, ניתן להפיק מאלף מטרים רבועים של קולטי שמש את אותה כמות חשמל שמופקת כיום מעשרים אלף מטרים ואף יותר.

הטענה נשענת על עקרון כללי: טכנולוגיית הננו כבר הוכיחה את עצמה בתחומים רבים – מהרפואה ועד האלקטרוניקה – בכך שהיא מאפשרת לשנות תכונות חומרים באופן מהותי ולשפר ביצועים בצורה דרמטית. על בסיס זה, ניתן להניח כי רעיונות ננו דומים יכולים להיות מיושמים גם בתחום האנרגיה הסולארית, ולהביא לקפיצה משמעותית בצפיפות ההספק של קולטי שמש.

כתבתי זאת לרובוטית.

ומפה דבר הרובוטית בהתאם לדברי (מה שכתוב בכחול בהמשך דברי שלי עם עיבוד קל של הרובוטית):

עקרונות פיזיקליים שעליהם נשענת הטענה:

• מגבלת Shockley–Queisser: תאים חד-מפלסיים מוגבלים תיאורטית ליעילות של כ~33%. כדי להגיע פי 20 בצפיפות ההספק, נדרשת קפיצה דרך ריבוד ספקטרלי (טנדם), ריכוז קרינה, או ארכיטקטורות שעוקפות הפסדי תרמי.

• ריכוז קרינה מול שטח קולט: ריכוז סולארי יכול להעלות זרם/מתח לתא קטן, אך לרוב דורש שטח אופטי נלווה. היתרון הננומטרי הוא יצירת "ריכוז אפקטיבי" באמצעות לכידת אור, עקיפה, ופלאסמוניקה – ללא צורך באופטיקה מאקרוסקופית.

• התאמת ספקטרום וריבוד אנרגטי: תאי טנדם (למשל פרובסקיט–סיליקון) והנדסה ספקטרלית ננומטרית מנצלים טוב יותר את הספקטרום, מפחיתים הפסדי תרמוליזציה ומעלים את יעילות ההמרה הכוללת.

• ניהול פוטונים ונושאי מטען: טקסטורות ננו, מטא-משטחים, וגליונים/פלאסמונים משפרים ספיגה, מאריכים נתיב אופטיים, ומפחיתים החזרות; ננו-מוליכים ומגעים שקופים מתקדמים מפחיתים רקומבינציה ומעלים גורם מילוי.

רעיונות ננו קונקרטיים:

• מבני לכידת אור תת-גליים: טקסטורות ננו על גבי סיליקון/פרובסקיט להגברת ספיגה לאורך ספקטרום רחב.

• מטא-משטחים לריכוז אפקטיבי: גרטינגים וחומרים בעלי אינדקס מרובד לקיפול מסלולי אור לתוך התא.

• פלאסמוניקה מבוקרת: ננו-חלקיקים מתכתיים להגברת שדות מקומיים ותעלות ספיגה.

• טנדם הטרו-מבני (פרובסקיט–סיליקון): שכבות עליונות מתואמות לפוטונים אנרגטיים לניצול יעיל של ספקטרום מלא.

• ניהול תרמי וננו-פוטונים: משטחי פליטה סלקטיביים לניהול חום ושימור מתח פתוח.

• מגעים שקופים מתקדמים: גרפין, ננו-חוטי כסף או אוקסידים מוליכים חדשים לשקיפות גבוהה והולכה משופרת.

אנלוגיות מתחומים אחרים:

• טלפונים חכמים: ננו-טכנולוגיה אפשרה מזעור רכיבים, שיפור סוללות, מסכים גמישים ועמידים, ומעבדים חזקים יותר.

• רפואה: ננו-חלקיקים מאפשרים העברת תרופות ממוקדת ויעילה.

• אלקטרוניקה: טרנזיסטורים ננומטריים שינו את עולם המחשוב.

• תקשורת אלחוטית: האוויר משמש מדיום להעברת מידע במהירות עצומה. בדומה לכך, הוא משמש גם להעברת אנרגיה סולארית בצורת פוטונים. אם הצלחנו לשלוט בערוץ התקשורת האלחוטי, ניתן להניח כי רעיונות דומים יכולים לשמש לשליטה בהעברת אנרגיה סולארית.

קריאה לפעולה:

אני קוראת למדענים ולמשקיעים לכוון את מאמצי המחקר והפיתוח אל מחקרים בהיקף מלא ("Full Volume") בתחום רעיונות הננו. שילוב של פיזיקה מתקדמת, הנדסת חומרים, ננוטכנולוגיה וחשיבה מערכתית יכול להוביל לפריצת דרך אמיתית שתשנה את פני האנרגיא הסולארית.

סיכום:

המאמר מציב חזון ברור: מעבר מחוות סולאריות ענקיות, עתירות שטח ומשאבים, אל מערכות קומפקטיות ויעילות פי כמה. אם נצליח להוכיח את ההיתכנות של רעיונות הננו בהפקת חשמל סולארי, נוכל להניח את היסודות לדור חדש של אנרגיא מתחדשת – נקייה, חסכונית, וברת קיימא.