211service.com
Directe zonne-energie benutten voor voortstuwing
De zon is de meest overvloedige bron van hernieuwbare energie. Maar alle technologieën die profiteren van zonlicht, inclusief fotovoltaïsche energie en biobrandstoffen, vereisen tussenstappen en infrastructuur om de zonnestralen om te zetten in iets dat kan worden gebruikt om werk in een machine uit te voeren. Onderzoekers van de University of California, Berkeley, gebruiken koolstofnanobuisjes om kleine, eenvoudige watergedragen machines te bouwen die rechtstreeks door zonlicht worden aangedreven. In theorie zouden deze machines kunnen worden opgeschaald om energieopwekkende pompen te maken die rechtstreeks door de zon worden aangedreven.
Zonnespin: Een rotor met vier vinnen (midden) die op een plas water drijft, draait bij blootstelling aan zonlicht. Links is een lens die wordt gebruikt om zonlicht op de rotor te richten; de heldere vorm naast de rotor is gereflecteerd zonlicht.
De door de zon aangedreven machines zijn afhankelijk van de oppervlaktespanning van water. Watermoleculen worden sterk door elkaar aangetrokken. Deze hoogenergetische interacties kunnen, onder de juiste omstandigheden, objecten over het water trekken. De Berkeley-machines zijn stukjes doorzichtig plastic, ongeveer een centimeter aan hun langste rand, ingebed met stroken verticaal uitgelijnde koolstofnanobuisjes. Wanneer licht van de zon of van een laser wordt gericht op de machine die op een plas water drijft, worden de nanobuisjes warm en verwarmen ze het water eromheen. Dit veroorzaakt een afname van de oppervlaktespanning, gelokaliseerd in een gebied van de machine, dat op zijn beurt naar voren wordt voortgestuwd, weg van het laagspanningsgedeelte van het oppervlak.
Andere soortgelijke systemen breken de oppervlaktespanning met behulp van elektrische pulsen, maar hiervoor is een stroombron nodig, zoals een batterij of een zonnecel. Dit is beter omdat je de tussenpersoon elimineert en veel werk krijgt, zegt Alex Zettl , een professor in de fysica van de gecondenseerde materie aan Berkeley die het onderzoeksteam leidde met Jean MJ Frechet , een professor in de chemie en chemische technologie. We denken dat we iets op het spoor zijn omdat oppervlaktespanning erg krachtig is, zegt Zettl.
Tot nu toe heeft het Berkeley-team twee basismachines op zonne-energie gedemonstreerd. De eerste, een plastic rechthoekige boot met een nanobuisstrip aan de achterkant, voert een lineaire beweging uit. Door laserlicht te richten of een lens te gebruiken om zonlicht in het midden van de nanobuisstrip of in de hoeken ervan te concentreren, kan de boot recht naar voren of in cirkels worden gericht. Wanneer er licht op wordt gefocust, kan een boot van ongeveer een centimeter lang wel acht centimeter per seconde reizen. De tweede machine is een eenvoudige rotor met één nanobuisstrip aan één kant van elk van de vier vinnen. Wanneer het wordt blootgesteld aan direct zonlicht, draait het met ongeveer 70 rotaties per minuut. Beide machines zijn alleen getest in containers in het lab.
Carbon zwart: Verticale arrays van koolstofnanobuisjes, hier afgebeeld ingebed in een helder polymeer, absorberen bijna al het zonlicht dat erop valt. Deze scanning-elektronenmicrofoto toont de rand van een van de boten.
Dit is vrij eenvoudig, maar het wordt mogelijk gemaakt door geavanceerde materialen, zegt Zettl. Eerder deze maand hebben onderzoekers van de Meijo University in Japan vastgesteld dat koolstofnanobuisjes die zijn gerangschikt in bosachtige, verticale arrays de zwartste materialen die ooit zijn getest, absorberen bijna al het licht dat erop valt. Dit materiaal heeft de ideale eigenschappen om energie van de zon op te vangen, zegt Fréchet.
Zettl en Fréchet zeggen dat deze thermische oppervlaktespanningseffecten in theorie schaalbaar zouden moeten zijn. De Berkeley-groep begon met machines op millimeterschaal, niet alleen omdat ze handig waren om in het laboratorium te testen, maar ook omdat het manipuleren van objecten van dit formaat in vloeistof bijzondere uitdagingen met zich meebrengt. Turbulentie is een enorme factor op millimeterschaal, zegt Fréchet. Het door licht aangedreven mechanisme kan mogelijk worden gebruikt om objecten op nanoschaal te verplaatsen door microfluïdische apparaten die worden gebruikt voor medische diagnostiek. Op nanoschaal, zegt Fréchet, verslaat oppervlaktespanning de zwaartekracht. De onderzoekers hopen ook hun werk op te schalen om echte boten te maken. Lenzen die op de achterkant van een grote boot zijn gemonteerd, moeten voldoende zonlicht op de absorberende nanobuisjes concentreren om deze voort te stuwen. Ze hopen ook grote in nanobuisjes ingebedde rotors te maken voor generatoren die worden aangedreven door de zon.
Nu moeten ze zien of dit in een echte omgeving zal werken, zegt Dean Alhorn, hoofdingenieur van NASA's door zonne-energie aangedreven satelliet NanoSail-D . De NASA-satelliet, die deze zomer werd getest, gebruikt een reflecterend materiaal om het momentum, in plaats van de warmte, van fotonen te absorberen; deze technologie zou goed moeten werken in het vacuüm van de ruimte, maar was niet praktisch op aarde. Alhorn zegt dat Zettl en Fréchet stevig hebben aangetoond dat het het licht is, niet iets anders, waardoor de kleine boten bewegen. Hij merkt echter op dat de machines alleen zijn getest in kuipen met water in het laboratorium. Alhorn zegt dat de onderzoekers de vraag moeten beantwoorden: Hoeveel kracht kunnen ze genereren, versus tegengestelde krachten zoals golven in de echte wereld?
Inderdaad, de Berkeley-onderzoekers zeggen dat hun volgende stap het verder ontwikkelen van hun apparaten is. Dit zou heel efficiënt kunnen zijn omdat nanobuisjes licht zo goed absorberen, maar we moeten kijken of dit een levensvatbaar thermodynamisch systeem is, zegt Zettl.