Την επανάσταση στην δέσμευση της ηλιακής ενέργειας μέσω της νανοτεχνολογίας φέρνει ο καθηγητής Emiliano Cortés, στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου (LMU)...
Αναπτύσσοντας πλασμονικές νανοδομές, η ομάδα του Cortés δημιουργεί υλικά που συγκεντρώνουν την ηλιακή ενέργεια πιο αποτελεσματικά. Το τελευταίο τους επίτευγμα, ένας υπερκρύσταλλος που παράγει υδρογόνο από μυρμηκικό οξύ (formic acid) χρησιμοποιώντας το ηλιακό φως, κατέχει το παγκόσμιο ρεκόρ στον τομέα του.
Το υδρογόνο αποτελεί δομικό στοιχείο για την ενεργειακή μετάβαση. Για την απόκτησή του με τη βοήθεια της ηλιακής ενέργειας, οι ερευνητές του LMU ανέπτυξαν νέες νανοδομές υψηλής απόδοσης. Το υλικό αυτό κατέχει παγκόσμιο ρεκόρ για την πράσινη παραγωγή υδρογόνου με το ηλιακό φως.
Όταν ο Emiliano Cortés πηγαίνει για «κυνήγι του ηλιακού φωτός», δεν χρησιμοποιεί γιγαντιαία κάτοπτρα ή εκτεταμένα ηλιακά πάρκα. Αντιθέτως, ο καθηγητής πειραματικής φυσικής και μετατροπής ενέργειας στο LMU καταδύεται στον νανοκοσμό. «Εκεί όπου τα σωματίδια υψηλής ενέργειας του ηλιακού φωτός, τα φωτόνια, συναντούν τις ατομικές δομές, εκεί ξεκινάει η έρευνά μας», λέει ο Cortés. «Εργαζόμαστε πάνω σε υλικές λύσεις για τη σύλληψη και την αποτελεσματικότερη χρήση της ηλιακής ενέργειας».
Καινοτόμες λύσεις για την ηλιακή ενέργεια
Τα ευρήματά του Cortés έχουν μεγάλες προοπτικές, καθώς επιτρέπουν τη χρήση νέων ηλιακών κυψελών και φωτοκαταλυτών. Η βιομηχανία έχει μεγάλες προσδοκίες για τους τελευταίους, επειδή μπορούν να καταστήσουν την ενέργεια του φωτός προσβάσιμη για χημικές αντιδράσεις – παρακάμπτοντας την ανάγκη παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Υπάρχει όμως μια μεγάλη πρόκληση στη χρήση του ηλιακού φωτός, την οποία πρέπει να αντιμετωπίσουν και τα ηλιακά κύτταρα, γνωρίζει ο Cortés: «Το ηλιακό φως φτάνει στη Γη “αραιωμένο”, οπότε η ενέργεια ανά επιφάνεια είναι συγκριτικά χαμηλή». Οι ηλιακοί συλλέκτες το αντισταθμίζουν αυτό καλύπτοντας μεγάλες εκτάσεις.
Ο Cortés, ωστόσο, προσεγγίζει το πρόβλημα από την άλλη κατεύθυνση. Με την ομάδα του στο Νανο-Ινστιτούτο του LMU, το οποίο χρηματοδοτείται, μεταξύ άλλων το πρόζεκτ Solar Technologies go Hybrid (μια πρωτοβουλία του Bayerisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst) και το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας, αναπτύσσει τις λεγόμενες πλασμονικές νανοδομές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη συγκέντρωση της ηλιακής ενέργειας.
Μια επανάσταση στη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας
Σε πρόσφατη δημοσίευση στο περιοδικό Nature Catalysis, ο Cortés, μαζί με τον Dr. Matías Herran από το Ινστιτούτο Fritz Haber του Βερολίνου, και συνεργάτες από το Ελεύθερο Πανεπιστήμιο του Βερολίνου και το Πανεπιστήμιο του Αμβούργου, παρουσιάζουν έναν υπερκρύσταλλο δύο διαστάσεων που παράγει υδρογόνο από μυρμηκικό οξύ με τη βοήθεια του ηλιακού φωτός.
«Το υλικό είναι τόσο εξαιρετικό, στην πραγματικότητα, που κατέχει το παγκόσμιο ρεκόρ παραγωγής υδρογόνου με τη βοήθεια του ηλιακού φωτός», επισημαίνει ο Cortés. Πρόκειται για καλά νέα για την παραγωγή τόσο των φωτοκαταλυτών όσο και του υδρογόνου ως φορέα ενέργειας, καθώς παίζουν σημαντικό ρόλο σε μια επιτυχημένη ενεργειακή μετάβαση.
Συγκέντρωση ηλιακής ενέργειας με μικροσκοπικούς μαγνήτες
Για τον υπερκρύσταλλό τους, οι Cortés και Herrán χρησιμοποιούν δύο διαφορετικά μέταλλα σε μορφή νανοκλίμακας. «Δημιουργούμε πρώτα σωματίδια στην περιοχή των 10-200 νανομέτρων από ένα πλασμονικό μέταλλο – που στην περίπτωσή μας είναι ο χρυσός» εξηγεί ο Herrán. «Σε αυτή την κλίμακα, ένα ιδιαίτερο φαινόμενο συμβαίνει με τα πλασμονικά μέταλλα, στα οποία περιλαμβάνονται επίσης ο άργυρος, ο χαλκός, το αλουμίνιο και το μαγνήσιο: το ορατό φως αλληλεπιδρά πολύ έντονα με τα ηλεκτρόνια του μετάλλου, προκαλώντας τους να ταλαντώνονται με συντονισμό».
Αυτό σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται συλλογικά πολύ γρήγορα από τη μία πλευρά του νανοσωματιδίου στην άλλη, δημιουργώντας ένα είδος μίνι μαγνήτη. Οι ειδικοί αναφέρονται σε αυτό ως διπολική ροπή.
«Για το προσπίπτον φως, πρόκειται για μια ισχυρή αλλαγή, ώστε στη συνέχεια να αλληλεπιδρά πολύ πιο έντονα με το μεταλλικό νανοσωματίδιο», εξηγεί ο Cortés. «Κατ’ αναλογία, μπορεί κανείς να σκεφτεί τη διαδικασία ως έναν υπερφακό που συγκεντρώνει την ενέργεια. Τα νανοϋλικά μας το κάνουν αυτό, αλλά σε μοριακή κλίμακα». Αυτό επιτρέπει στα νανοσωματίδια να συλλαμβάνουν περισσότερο ηλιακό φως και να το μετατρέπουν σε ηλεκτρόνια πολύ υψηλής ενέργειας. Αυτά, με τη σειρά τους, βοηθούν στην προώθηση χημικών αντιδράσεων.
Τα νανοθερμικά σημεία απελευθερώνουν καταλυτική δύναμη
Πώς όμως μπορεί να αξιοποιηθεί αυτή η ενέργεια; Για τον σκοπό αυτό, οι επιστήμονες του LMU συνεργάστηκαν με ερευνητές του Πανεπιστημίου του Αμβούργου. Τοποθέτησαν τα σωματίδια χρυσού με τάξη σε μια επιφάνεια σύμφωνα με την αρχή της αυτοοργάνωσης. Τα σωματίδια πρέπει να βρίσκονται πολύ κοντά αλλά να μην αγγίζουν για να μεγιστοποιούνται οι αλληλεπιδράσεις φωτός-ύλης.
Σε συνεργασία με μια ερευνητική ομάδα από το Freie Universität Berlin, η οποία μελέτησε τις οπτικές ιδιότητες του υλικού, οι ερευνητές του LMU διαπίστωσαν ότι η απορρόφηση του φωτός αυξήθηκε πολλές φορές. «Οι συστοιχίες νανοσωματιδίων χρυσού εστιάζουν εξαιρετικά αποτελεσματικά το εισερχόμενο φως, αποδίδοντας, εξαιρετικά εντοπισμένα και ισχυρά ηλεκτρικά πεδία, τα λεγόμενα hotspots», λέει ο Herrán.
Αυτά σχηματίζονται μεταξύ των σωματιδίων χρυσού, γεγονός που έδωσε στους Cortés και Herrán την ιδέα να τοποθετήσουν ακριβώς στα μεσοδιαστήματα νανοσωματίδια λευκόχρυσου, ένα κλασικό και ισχυρό καταλυτικό υλικό. Αυτό έγινε και πάλι από την ερευνητική ομάδα του Αμβούργου.
«Η πλατίνα δεν είναι το υλικό εκλογής για τη φωτοκατάλυση, επειδή απορροφά ελάχιστα το ηλιακό φως. Ωστόσο, μπορούμε να το επιβάλλουμε σε θερμά σημεία για να ενισχύσουμε αυτή την κατά τα άλλα φτωχή απορρόφηση και να τροφοδοτήσουμε χημικές αντιδράσεις με την ενέργεια του φωτός. Στην περίπτωσή μας, η αντίδραση μετατρέπει το μυρμηκικό οξύ σε υδρογόνο», εξηγεί ο Herrán.
Με ρυθμό παραγωγής υδρογόνου από μυρμηκικό οξύ 139 χιλιοστόμολα ανά ώρα και ανά γραμμάριο καταλύτη, το φωτοκαταλυτικό υλικό κατέχει επί του παρόντος το παγκόσμιο ρεκόρ παραγωγής Η2 με το φως του ήλιου.
Προς μια βιώσιμη παραγωγή υδρογόνου
Σήμερα, το υδρογόνο παράγεται κυρίως από ορυκτά καύσιμα, κυρίως από φυσικό αέριο. Για τη μετάβαση σε μια πιο βιώσιμη παραγωγή, ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο εργάζονται πάνω σε τεχνολογίες που χρησιμοποιούν εναλλακτικές πρώτες ύλες – όπως μυρμηκικό οξύ, αμμωνία και νερό. Η έμφαση δίνεται επίσης στην ανάπτυξη φωτοκαταλυτικών αντιδραστήρων κατάλληλων για παραγωγή σε μεγάλη κλίμακα. «Έξυπνες υλικές λύσεις όπως η δική μας αποτελούν σημαντικό δομικό στοιχείο για την επιτυχία της τεχνολογίας», ανέφεραν οι δύο ερευνητές.
«Συνδυάζοντας πλασμονικά και καταλυτικά μέταλλα, προωθούμε την ανάπτυξη ισχυρών φωτοκαταλυτών για βιομηχανικές εφαρμογές. Πρόκειται για έναν νέο τρόπο χρήσης του ηλιακού φωτός, ο οποίος προσφέρει δυνατότητες και για άλλες αντιδράσεις, όπως η μετατροπή του CO2 σε χρήσιμες ουσίες», εξηγούν οι Cortés και Herrán. Οι δύο ερευνητές έχουν ήδη κατοχυρώσει με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας την ανάπτυξη του υλικού τους.
Πηγή: www.foxreport.gr/technology/yperkrystallos-fernei-tin-epanastasi-stin-aksiopoiisi-tou-fotos-tou-iliou-to-pagkosmio-rekor-pou-katechei/ -Posted by Anexartitos.Ta.Neα
Αν θέλετε να μαθαίνετε παράλληλα όσα σημαντικά διαδραματίζονται στα ελληνικά και ξένα media κάντε like στην σελίδα στο Facebook πατώντας εδώ.click here
Δημοσίευση σχολίου
.Τα σχόλια υπάρχουν για να συνεισφέρουν οι αναγνώστες στο διάλογο.
. Ο καθένας έχει δικαίωμα να εκφράζει ελεύθερα τις απόψεις του.
. Αυτό δεν σημαίνει ότι υιοθετούμε τις απόψεις αυτές.
. Συκοφαντικά ή υβριστικά σχόλια και greeklish αφαιρούνται όπου εντοπίζονται.
. Η ευθύνη των σχολίων (αστική και ποινική) βαρύνει τους σχολιαστές και μόνον αυτούς.
. Η ταυτότητα των σχολιαστών είναι γνωστή μόνο στην Google.
. Όποιος θίγεται μπορεί να επικοινωνεί στο email μας.
. Περισσότερα στους όρους χρήσης.. Ευχαριστούμε για την κατανόησή σας.
Θέλεις να προσφέρεις ;
Κάνοντας σήμερα τη δική σας δωρεά, μας βοηθάτε να συνεχίσουμε τη λειτουργία μας...
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου