Soluţiile energetice bazate pe energia provenind de la Soare ar putea fi active şi pe timpul nopţii, cu o mână de ajutor din partea unei substanţe mult hulite, omniprezenta rugină. Cum ne poate ajuta rugina în producerea de energie curată? Detalii, în continuare.
Cei mai mulţi ingineri ar fi fost speriaţi dacă ar fi găsit chiar şi un pic de rugină pe electrozii lor. Dar Kenneth Hardee şi Allen Bard şi-au fabricat proprii electrozi în întregime din acest material. În căutarea energiei solare ieftine, cuplul de cercetători a încercat să producă curent din cel mai ieftin material pe care l-au putut găsi. Şi ei au reuşit: expus luminii vizibile, el a produs o cantitate mică, dar decentă de curent.
Acest lucru a avut loc în 1975, atunci când siliciul devenea senzaţia tehnologică a epocii. Eficienţa mai mare l-a transformat pe acesta în pilonul celulelor solare fotovoltaice, iar acesta a rămas, de atunci, în fruntea pieţei. Mica descoperire de la Universitatea Texas din Austin a căzut în uitare şi singurul moment în care cineva s-a gândit la rugină, dacă s-a găsit cineva care s-o facă, era atunci când dorea să scape de ea.
Dar în ultimii câţiva ani, atenţia tuturor a început să fie îndreptată spre o substanţă care, în ciuda opiniei generale, ar putea fi un fel de material minune. Deşi oxidul de fier nu poate concura cu eficienţa siliciului în ceea ce priveşte transformarea energiei solare în electricitate, poate realiza ceva ce siliciul nu poate: poate ajuta la stocarea energiei solare. Umilele particule de rugină ar putea constitui o cale de depăşire a uneia dintre cele mai greu de rezolvat probleme ale energiei solare: noaptea.
Cercetarea în domeniul energiei solare s-a centrat, în mod aproape exclusiv, pe eficienţă. În fiecare zi, soarele oferă planetei noastre mai multă energie decât am avea nevoie să consumăm într-un an. Dar colectarea acesteia nu este atât de uşoară. Chiar şi cea mai bună tehnologie disponibilă – panourile solare în valoare de un miliard de dolari, construite din combinaţii costisitoare ale metalelor rare, folosite de Staţia Spaţială Internaţională – poate converti doar 46 la sută din energia solară în electricitate şi asta numai în condiţii ideale. Cifrele obişnuite sunt mult mai mici. Înapoi pe Pământ, celulele fotovoltaice mai ieftine, bazate pe siliciu, colectează între 15 şi 20 la sută.
Modalităţi de a stoca energia suplimentară, pentru a fi folosită atunci când soarele nu străluceşte, sunt necesare în mod urgent. Parţial datorită faptului că poate fi folosită doar în momentul în care este generată, această resursă aparent nelimitată contribuie cel mai puţin dintre toate sursele de energie regenerabile, rămânând, în acelaşi timp, de 20 de ori mai scumpă decât energia produsă de combustibilii fosili.
Bateriile sunt cea mai evidentă soluţie, dar densitatea lor scăzută de energie combinată cu preţul ridicat al unui sistem capabil să furnizeze energie unei întregi case – care ar trebui să fie înlocuit după câţiva ani – le transformă într-o opţiune accesibilă numai pentru cei bogaţi. O metoda mult mai eficientă pentru a stoca energia solară este folosind-o pentru producerea de hidrogen. Legăturile chimice ale elementului sunt foarte puternice, stocând de 170 de ori mai multă energie pe kilogram decât bateriile ionice standard. Hidrogenul este, de asemenea, versatil: odată ce l-ai obţinut, îl poţi folosi în orice mod doreşti. Pune-l într-o pilă de combustie şi poţi genera electricitate atunci când ai nevoie prin recombinarea lui cu oxigenul; combină-l cu monoxidul de carbon şi poate deveni biocombustibil pe bază de metanol; stocat cum trebuie, poate fi chiar ars după modelul oricărui alt combustibil gazos.
Cea mai simpla modalitate de a transforma energia din celulele fotovoltaice în hidrogen este prin folosirea acelei energii pentru a rula un electrolizor. Acesta scindează apa – H2O – în hidrogen şi oxigen. Simplu, probabil, dar şi ineficient. Din acel minim procent de 15 la sută din radiaţia solară, pe care celulele fotovoltaice standard sunt capabile să o capteze, 30 la sută este pierdută prin conversie. Până când acest proces se termină, probabil că ai fi mai productiv folosind bateria reîncărcabilă.
Energie din apă
Opţiunea mai productivă ar fi să descoperi un anumit tip de material ieftin, conductor de electricitate, care poate ocoli procesul de conversie din celulele fotovoltaice şi, pur şi simplu, să folosească fotonii solari pentru electroliza apei şi obţinerea de hidrogen.
Pentru ca un material să poată electroliza apa în mod direct, el trebuie să elibereze electronii de o anumită energie atunci când este lovit de un foton. Atunci când aceşti electroni sunt destul de excitaţi energetic pentru a părăsi materialul, ei lasă în spate spaţii cunoscute sub numele de găuri. Pentru a umple aceste găuri, o molecula de apă donează unul din proprii ei electroni. În acest mod, electronii şi găurile lucrează împreună pentru a oxida apa şi a o transforma în hidrogen şi oxigen.
Siliciul nu este candidatul ideal pentru această treabă; electronii săi nu prezintă energia corectă. Toate materialele au nevoie de cantităţi diferite şi precise de energie pentru ca electronii lor să se despartă de atom. Atomii de siliciu au nevoie doar de 1,11 electronvolţi pentru a elibera un electron, dar procesul de electroliză a apei necesită electroni de cel puţin 1,23 electronvolţi.
Materialele cu adevărat potrivite pot fi obţinute folosind substanţe exotice. De pildă, prin combinarea cristalelor de seleniu de zinc şi sulfură de cadmiu cu un catalizator pe bază de platină, inginerii de la Bowling Green State University, Ohio, au reuşit să elibereze electronii potriviţi. Dar procesul complicat şi metalele rare creează un dispozitiv care funcţionează în laborator, dar este prea scump pentru a fi comercializat.
Astfel, cercetătorii au început să se reocupe de rugină. Energia perfectă de descompunere a oxidului de fier – 2,1 eV – nu este nici măcar cel mai convingător motiv pentru a folosi această substanţă mult hulită. Este, de asemenea, netoxică şi murdar de ieftină, la propriu. În plus, este atât de abundentă încât putem spune că este omniprezentă. Metalele rare nu sunt doar scumpe şi toxice; obţinerea lor poate fi şi imprevizibilă din punct de vedere politic. Cercetătorii vorbesc despre disponibilitatea lor în acelaşi mod în care unii oameni previzionează consumul de petrol. Atunci când China a redus exporturile de neodim, de exemplu, industrii întregi au suferit, de la motoarele pentru maşini la magneţi. Aceasta nu este o problemă pentru oxidul de fier. “Nimeni nu controlează rugina”, spune Klaus Hellgardt, care lucrează la generarea de hidrogen, obţinut cu ajutorul oxidului de fier, la Imperial College London.
Rezistent la rugină
De mare importanţă, de asemenea, este stabilitatea sa. Multe materiale eşuează sub efectele corozive ale electrolizei apei, dar oxidul de fier poate dura până la un an – unii cred că mai mult – pentru că, după cum spune Hellgardt, “nu este ca şi cum ar rugini”.
Deşi abilitatea sa de a converti energia solară în hidrogen nu este cea mai eficientă din lume – studii recente indică o limită teoretică de 16,8 la sută – abundenţa sa poate contrabalansa eficienţa scăzută.
Dar materialului Cenuşăreasă încă îi mai lipseşte un pantof. “Nu a înregistrat performanţe bune până în prezent”, spune Nate Lewis de la California Institute of Technology din Pasadena. “Asta nu înseamnă că nu îl putem face să se comporte mai bine.”
Doar pentru că rugina prezintă proprietăţile fizice corecte pentru electroliza apei nu înseamnă că poate face acest lucru fără ajutor. Prin urmare, majoritatea cercetărilor din domeniul ruginii, din ultimul deceniu, s-au învârtit în jurul procesului de cedare a electronilor săi către apă.
Prima problemă de rezolvat a fost cea care i-a preocupat pe Hardee şi Bard în 1975. Oxidul de fier nu conduce electricitatea foarte bine, acest lucru însemnând că prin sine însuşi nu poate conduce destui electroni către margine, acolo unde ei ar fi mult mai folositori. Acest proces are nevoie de un mic ajutor. O modalitate pentru a realiza aceasta este prin obţinerea unei energii solare suplimentare de la un dispozitiv numit celulă tandem. În 1991, Michael Grätzel, inginer la Swiss Federal Institute of Technology din Lausanne (EPFL), a folosit un strat subţire de oxid de titan, care fusese colorat în prealabil pentru a i se stimula capacitatea de absorbţie a fotonilor, pentru a crea o celulă solară colorată, o modalitate simplă şi ieftină de a produce un curent electric fără implicarea siliciului. Prin alimentarea, cu curentul rezultat, a stratului de rugină aflat dedesubt, ei au fost capabili să elibereze electronii corecţi pentru a electroliza apa (Nature, vol 353, p 737).
Dispozitivul lui Grätzel a reuşit performanţa unei eficienţe fără precedent de 4 la sută. Totuşi, pentru aceasta a fost nevoie de 2 celule tandem în plus. Energia suplimentară a fost necesară pentru stimularea electronilor la un nivel energetic mai înalt. Fără ele, rugina ar fi reabsorbit electronii în reţeaua sa cristalină, înainte ca ei să fi putut să se elibereze.
Singura soluţie ar fi să realizăm un strat de rugină destul de subţire pentru a le permite electronilor să scape – de ordinul zecilor de nanometri. În 1975 şi chiar şi la începutul anilor 1990, acest lucru era imposibil. La începutul secolului 21, totuşi, nanotehnologia a avansat suficient ca să îţi permită să manipulezi structura fizică a unui material – şi să producă unele soluţii surprinzător de elegante.
Jordan Katz, de la Universitatea Denison din Ohio, a creat un înveliş subţire compus din rugină de numai câţiva nanometri. Această lăţime îngustă îi oferă dispozitivului o suprafaţă foarte mare, în timp ce îi permite apei să pătrundă în crăpăturile de dimensiuni nanometrice dintre tije. Astfel, electronii şi găurile sunt eliberate din material şi se pot întâlni cu apa din vecinătate. Dar Katz spune că se află încă departe de descoperirea unui material cu eficienţa necesară pentru a fi comercializat.
Cercetătorii de la EPFL au găsit o modalitate pentru a realiza tocmai acest lucru. Pentru a ajuta la eliberarea electronilor, Kevin Sivula a creat o rugină de dimensiuni nanometrice folosind metoda depunerii “nor”, care implică pulverizarea unei pâcle de soluţie de fier pe o suprafaţă. Aceasta metodă de depunere face ca oxidul de fier să preia aspectul unor păduri de “copaci”, de forma unor conopide microscopice, creând acel tip de suprafaţă fractalică care le permite electronilor să se elibereze, dar care poate fi şi produsă în masă.
Anul trecut, grupul lui Sivula a creat un dispozitiv funcţional care foloseşte ceva nu cu mult mai scump decât sticla. La 3,6 la sută, eficienţa sa rivaliza cu cea a dispozitivului lui Grätzel, dar fără ajutorul celulelor tandem suplimentare (Nature Photonics, vol 6, p 824). Iar Sivula spune că poate duce această eficienţă la 10 la sută în câţiva ani.
Totuşi, proiectul său ar putea fi împiedicat de o problemă care apare, în mod paradoxal, atunci când stratul de rugină este foarte subţire. O problemă fundamentală pentru fiecare material electrolitic este că ai nevoie ca el să fie cât mai gros şi cât mai subţire posibil. Un material mai subţire este mai bun atunci când vrei ca electronii tăi să aibă şanse să se elibereze. Dar pentru a absorbi cât mai mulţi fotoni posibil, stratul de rugină trebuie să fie gros. Un strat de 20 nanometri absoarbe doar 18 la sută din numărul total de fotoni absorbabili. Măreşte grosimea materialului la 1 micrometru şi îi prinzi aproape pe toţi – dar apoi rămân blocaţi.
Pentru a rezolva această problemă, Avner Rothschild şi echipa sa de la Universitatea Technion din Haifa, Israel, a apelat la fizica cuantică. Dispozitivul lor captează lumina în pelicule de rugină cu grosimea de 30 nanometri. Atunci când fotonii pătrund în dispozitiv, ei sunt forţaţi să străbată o cameră de oglinzi opozabile, în formă de V, din care aceştia ricoşează până când sunt absorbiţi. În plus, interferenţa dintre undele de lumină, care se propagă înainte şi înapoi, amplifică absorbţia, în special în apropiere de suprafaţa peliculei. Electronii şi găurile pot ajunge cu uşurinţă la suprafaţă înainte ca recombinarea să devină posibilă. Mulţumită acestei optimizări, dispozitivul este capabil să absoarbă 71 la sută dintre fotoni, dar este destul de subţire pentru ca electronii să poată scăpa, conducând la o eficienţă teoretică de 4,9 la sută (Nature Materials, pe cale de apariţie).
Acest lucru este impresionant având în vedere standardele joase ale oxidului de fier, dar nu chiar un exemplu bun de produs comercializabil – sau ba da?
Aici rezidă adevărata genialitate a ruginii şi motivul pentru care ar putea eclipsa siliciul, în ciuda celor mai scăzute eficienţe. Chiar dacă nu îşi atinge niciodată maximul de 16 la sută, spune Sivula, este atât de ieftină încât tu poţi acoperi suprafeţe vaste cu ea, exact ce el precum şi alţi cercetători în domeniu doresc să facă. “Ceea ce contează într-un final nu este eficienţa, ci costul per watt”, spune Katz. Chiar şi o eficienţă de 10 la sută “la preţul corect”, spune el, ar învinge o celulă fotovoltaică cu o eficienţă de 50 la sută, pentru că rugina ar merita astfel să fie împrăştiată pe orice suprafaţă.
Şi exact acesta este scopul. Sivula crede că ai putea înveli cu mixtura să fieroasă în formă de conopidă ceva asemănător tapetului, imprimând pur şi simplu straturi de celule solare, generând hidrogen pretutindeni şi oriunde. Aşezările singuratice din desert ar constitui casa perfectă, iar procesul ar putea folosi apa menajeră.
Problema cu hidrogenul
Pentru a fi siguri, câteva probleme mai trebuie să fie rezolvate înainte ca acest vis să poată fi realizat. Odată ce apa este scindată, de exemplu, “tu ai creat propriu-zis o bombă”, spune Hellgardt, pentru că oxigenul şi hidrogenul pot reacţiona în mod exploziv. Un sfârşit mai benign al procesului dar, de asemenea, la fel de nefericit este că hidrogenul şi oxigenul tău se recombină pentru a forma apa care este un pic mai caldă decât era înainte.
Separarea celor două gaze este primordială. În celula lui Sivula, de exemplu, o membrană atrage oxigenul şi hidrogenul în mod diferit, permiţându-le să funcţioneze în mod separat. Hellgardt are o idee diferită: dacă nu plănuieşti să foloseşti oxigenul, de ce să îl mai generezi? Modelul lui foloseşte apa menajeră de calitate inferioară pentru a “digera” oxigenul. În loc de a deveni un gaz, el reacţionează cu compuşii organici din apă, permiţându-i hidrogenului să călătorească în siguranţă spre tancul de depozitare.
Şi apoi urmează ultima racilă a energiei solare produse din rugină: în timp ce poate colecta energia solară prin producerea de hidrogen, depozitarea prezintă propriile ei probleme. Gazul este, în mod special, dificil de păstrat într-un spaţiu închis fără a te baza pe materiale rezistente şi scumpe care nu vor coroda sau exploda. Într-adevăr, această problemă a blocat întreaga promisiune a proclamatei economii bazate pe hidrogen.
Cercetătorii au lucrat la o serie de soluţii pentru această problemă. Pe lângă îmbunătăţirile clare ale pilelor de combustie, un număr de noi abordări este în plan. De exemplu, cercetătorii de la Universitatea New South Wales din Australia au folosit recent borohidrura de sodiu, de scară nanometrică, în procesul de stocare. În mod normal, sarea trebuie să fie încălzită la 550 de grade Celsius pentru a elibera hidrogenul aflat în legăturile sale, dar la scară nanometrică a fost determinată să facă acest lucru la 50 grade Celsius. Aceasta este o dezvoltare promiţătoare pentru hidrogenul portabil la mai multe scări.
Promiţătoare, dar nu neapărat necesară. Canistrele simple de hidrogen, deja prezente la locul de transformare şi arse după modelul combustibilului de tabără, ar putea fi, de asemenea, o soluţie. Aceasta este ceea ce Briant Holcroft, directorul companiei Stored Solar, vede ca o nişă imediată în locuri cum ar fi Kenya, unde lumina solară este prezentă în abundenţă şi infrastructura energetică lipseşte. El a colaborat cu EPFL pentru a folosi mecanismul oxid de fier – celule tandem pentru compania sa, care oferă soluţii energetice independente. El este hotărât să pună aceste dispozitive şi pe acoperişurile din lumea dezvoltată, unde proprietarii lor ar putea obţine combustibil din hidrogen şi electricitate, fiind independenţi faţă de reţeaua electrică.
Şi poate că ei nu vor avea nevoie de celulele tandem. Informaţiile dobândite ca urmare a deceniilor de folosire a electronilor din rugină pentru electroliza apei ar putea aduce visul original al lui Hardee si Bard din trecut în viitor: un dispozitiv fotovoltaic pe bază de rugină, deşi unul ineficient, cuplat cu un dispozitiv de stocare.
“Dacă nu-ţi pasă deloc de eficienţă, o celulă pe bază de rugină ar putea funcţiona fie ca să producă combustibil sau electricitate, fie amândouă în acelaşi timp”, spune Katz. “Ar putea produce energie în timpul zilei, când ne-am confrunta cu o cerere mare pentru electricitate, dar ar produce în schimb combustibil, atunci când cererea nu ar mai fi la fel de mare.” Având în vedere realităţile economice ale energiei solare, micuţul curent descoperit de Hardee şi Bard, în 1975, ar putea încă deveni o sursă de energie regenerabilă care ar putea acoperi planeta. Poate că a sosit timpul să intrăm în Era Ruginii.
Textul de mai sus reprezintă traducerea articolului Midnight sun: How to get 24-hour solar power, publicat de New Scientist. Scientia.ro este singura entitate responsabilă pentru eventuale erori de traducere, Reed Business Information Ltd şi New Scientist neasumându-şi nicio responsabilitate în această privinţă.
Traducere: Alexandru Hutupanu
