211service.com
Udnyttelse af direkte solenergi til fremdrift
Solen er den mest udbredte kilde til vedvarende energi. Men alle de teknologier, der udnytter sollys, inklusive solceller og biobrændstoffer, kræver mellemtrin og infrastruktur for at omdanne solens stråler til noget, der kan bruges til at udføre arbejde i en maskine. Forskere ved University of California, Berkeley, bruger kulstof nanorør til at bygge små, enkle vandbårne maskiner, der drives direkte af sollys. I teorien, siger de, kunne disse maskiner skaleres op til at lave energigenererende pumper direkte drevet af solen.
Solspin: En rotor med fire finner (i midten), der flyder på en vandpøl, snurrer, når den udsættes for sollys. Til venstre er en linse, der bruges til at rette sollys ind på rotoren; den lyse form ved siden af rotoren er reflekteret sollys.
De soldrevne maskiner er afhængige af vandets overfladespænding. Vandmolekyler er stærkt tiltrukket af hinanden. Disse højenergi-interaktioner kan under de rette forhold trække genstande hen over vandet. Berkeley-maskinerne er stykker af klar plast, omkring en centimeter på deres længste kant, indlejret med strimler af lodret justerede kulstofnanorør. Når lyset fra solen eller en laser fokuseres på maskinen, der flyder på en vandpøl, opvarmes nanorørene og opvarmer vandet omkring dem. Dette forårsager et fald i overfladespændingen lokaliseret til et område af maskinen, som igen drives fremad væk fra lavspændingsdelen af overfladen.
Andre lignende systemer bryder overfladespændingen ved hjælp af elektriske impulser, men dette kræver en strømkilde såsom et batteri eller en solcelle. Dette er bedre, fordi du eliminerer mellemmanden og får en masse arbejde ud, siger Alex Zettl , en professor i kondenseret stof fysik ved Berkeley, som ledede forskerholdet med Jean M.J. Fréchet , professor i kemi og kemiteknik. Vi tror, vi er på vej til noget, fordi overfladespændingen er meget kraftig, siger Zettl.
Indtil videre har Berkeley-teamet demonstreret to grundlæggende soldrevne maskiner. Den første, en rektangulær plastikbåd med en nanorørstrimmel på ryggen, udfører lineær bevægelse. Ved at rette laserlys eller bruge en linse til at fokusere sollys enten i midten af nanorørstrimlen eller i dens hjørner, kan båden rettes lige frem eller i cirkler. Når lyset er fokuseret på det, kan en båd omkring en centimeter lang rejse så hurtigt som otte centimeter i sekundet. Den anden maskine er en simpel rotor med en nanorørstrimmel på den ene side af hver af dens fire finner. Når den udsættes for direkte sollys, roterer den med omkring 70 omdrejninger i minuttet. Begge maskiner er kun blevet testet i containere i laboratoriet.
Kulsort: Lodrette arrays af kulstof nanorør, vist her indlejret i en klar polymer, absorberer næsten alt det sollys, der rammer dem. Dette scanningselektronmikrofotografi viser kanten af en af bådene.
Dette er ret simple ting, men det er gjort muligt af sofistikerede materialer, siger Zettl. Tidligere på måneden fastslog forskere ved Japans Meijo Universitet, at kulstof nanorør arrangeret i skovlignende, vertikale arrays er sorteste materialer, der nogensinde er testet, og absorberer næsten alt det lys, der falder på dem. Dette materiale har de ideelle egenskaber til at opsamle energi fra solen, siger Fréchet.
Zettl og Fréchet siger, at disse termiske overfladespændingseffekter i teorien burde være skalerbare. Berkeley-gruppen startede med maskiner i millimeterskala, ikke kun fordi de var praktiske at teste i laboratoriet, men også fordi manipulation af genstande af denne størrelse i væske udgør særlige udfordringer. Turbulens er en kæmpe faktor på millimeterskalaen, siger Fréchet. Den lysdrevne mekanisme kan potentielt bruges til at flytte objekter i nanoskala gennem mikrofluidiske enheder, der anvendes til medicinsk diagnostik. På nanoskalaen, siger Fréchet, slår overfladespændingen tyngdekraften. Forskerne håber også at opskalere deres arbejde for at lave egentlige både. Linser monteret på bagsiden af en stor båd bør fokusere tilstrækkeligt sollys på de absorberende nanorør til at drive det frem. De håber også at lave store nanorør-indlejrede rotorer til generatorer drevet af solen.
Nu skal de se, om dette vil fungere i et rigtigt miljø, siger Dean Alhorn, ledende ingeniør på NASAs soldrevne satellit NanoSail-D . NASAs satellit, som blev testet i sommer, bruger et reflekterende materiale til at absorbere momentum, snarere end varmen, fra fotoner; denne teknologi burde fungere godt i rummets vakuum, men har ikke været praktisk på Jorden. Alhorn siger, at Zettl og Fréchet solidt har demonstreret, at det er lyset, ikke noget andet, der får de små både til at bevæge sig. Han bemærker dog, at maskinerne kun er blevet testet i baljer med vand inde i laboratoriet. Alhorn siger, at forskerne bliver nødt til at besvare spørgsmålet: Hvor meget kraft kan de generere, kontra modsatrettede kræfter som bølger i den virkelige verden?
Faktisk siger Berkeley-forskerne, at deres næste skridt er at udvikle deres enheder yderligere. Dette kunne være meget effektivt, fordi nanorør absorberer lys så godt, men vi er nødt til at se, om dette er et levedygtigt termodynamisk system, siger Zettl.