Kvantová mechanika s fotosyntézou přinesou skvělé solární články  
Když to umějí rostliny, tak se to snad naučíme taky. Vědci pracují na tom, aby nám kvantová mechanika s fotosyntézou vyráběly elektřinu.
Uvnitř laboratoře Optoelektroniky kvantových materiálů. Kredit: Max Grossnickle, QMO Lab.
Uvnitř laboratoře Optoelektroniky kvantových materiálů. Kredit: Max Grossnickle, QMO Lab.

Fyzika a biologie k sobě mívají docela daleko. Někdy se dokonce jeden druhého tak trochu bojí. Když se ale dají dohromady, a poslední dobou k tomu dochází, tak to může mít ohromující výsledky. Nathan Gabor je experimentální fyzik z Kalifornské univerzity v Riverside, který si hraje s kvantovou mechanikou ve své laboratoři Optoelektroniky kvantových materiálů (QMO Lab). Někdy v roce 2010 si ale položil záludnou otázku – proč jsou vlastně rostliny zelené?

 

Nathan Gabor uprostřed svých kolegů. Kredit: QMO Lab.
Nathan Gabor uprostřed svých kolegů. Kredit: QMO Lab.

Když si badatelé kladou podobně naivní, na první pohled zcela jednoduché otázky, tak se pak většinou nestačí divit. Gabor samozřejmě brzy zjistil, že nikdo vlastně netuší, proč jsou rostliny zelené, když pomineme jednoduchou odpověď, že odrážejí zelené světlo. Proč je to právě zelené světlo? Od té doby se Gabor stal i odborníkem na fotosyntézu. Jeho zájem přitom nebyl jenom teoretický, ale své zkušenosti se snažil využít velmi praktickým způsobem – vylepšením stávajících solárních článků. Se solární energií je potíž v tom, že její přísun výrazně kolísá, často i během krátké doby. Rostliny mají mechanismy, jak se s tím vyrovnat, i když ani ty nejsou dokonalé. Cenově dostupné solární články, jejichž účinnost je v nejlepším případě 20 procent, to nijak zvlášť nezvládají. S náhlými změny solární energie si neporadí. Má to rozsáhlé důsledky, především velké plýtvání energií.

 

Kvantová mechanika zkřížená s fotosyntézou. Kredit: Nathaniel Gabor & Tamar Melen, QMO Lab.
Kvantová mechanika zkřížená s fotosyntézou. Kredit: Nathaniel Gabor & Tamar Melen, QMO Lab.

Gabor a jeho tým se to rozhodli řešit pozoruhodnou nanotechnologií, novým typem fotorezistoru s kvantovým tepelným motorem (quantum heat engine photocell), s jehož pomocí lze manipulovat proudění energie v solárních článcích. Fotorezistor s tepelným motorem absorbuje fotony slunečního záření a převádí energii fotonů na elektrickou energii. Badatelé přitom zjistili, že fotorezistor s kvantovým tepelným motorem může tento proces regulovat, aniž by k tomu potřeboval aktivní zpětnou vazbu anebo adaptivní kontrolní mechanismy. To se rozhodně nedá říct o dnešní fotovoltaice. Solární panely na střechách domů nebo v solárních farmách musejí být vybaveny měniči napětí a dalšími prvky, které řeší kolísání přísunu solární energie, a které dramaticky snižují celkovou účinnost solárních článků.

 

QMO Lab.
QMO Lab.

Gaborův tým se snažil vymyslet co nejjednodušší design solárního fotorezistoru, který by zvládal pasivně tlumit výkyvy solární energie. Vědci si s tím pohráli, modelovali na počítačích, optimalizovali, a nakonec zjistili, že absorpční spektrum vyladěného fotorezistoru pro solární články, který nejlépe zvládá kolísání dopadajícího záření, je prakticky totožný s absorpčním spektrem zelených rostlin. Není to žádná ostuda, může nás hřát u srdce to, že jsme skoro tak dobří, jak slepé, ale nesmírně účinné mechanismy přírodního výběru. Vědci při tom zjistili, řekněme metodou pokus-omyl, že při absorpci zeleného světla, které vlastně představuje nejvíce intenzivní část spektra viditelného záření Slunce, pasivní regulace změn záření pomocí zmíněného mechanismu nefunguje. Tohle by mohla být zajímavá odpověď na otázku, proč rostliny zdánlivě cennou složku záření viditelného světla odrážejí, a jsou tudíž zelené.

 

Gabor a jeho kolegové prohlásili, že takový mechanismus regulace energie, který nakonec vyladili ve fotorezistoru s kvantovým tepelným motorem, by mohl hrát zásadní roli ve fotosyntéze. A výzkum z poslední doby to potvrzuje. Evoluce vymyslela hodně dobrý design. Když ho dokážeme napodobit, a využijeme ho v solární energetice, tak to bude velký technologický skok kupředu.

Literatura
UC Riverside 30. 11. 2016, Nano Letters online 10. 11. 2016.

Autor: Stanislav Mihulka
Datum: 03.12.2016
Tisk článku

Poker Svět kolem nás -
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 79 Kč
cena: 70 Kč
Poker Svět kolem nás

Související články:

Hacknutí fotosyntézy pro záchranu lidstva     Autor: Stanislav Mihulka (27.09.2014)
Je zelené světlo pro rostliny neužitečné?     Autor: Václav Diopan (19.06.2016)



Diskuze:

krystalický a polykrystalický křemík

Stanislav Florian,2016-12-04 19:05:37

Kdysi se psalo, že účinnost fotovoltaiky s krystalickým křemíkem je vyšší, ale je to drahé. Hlavní směr vývoje fotovoltaiky bych stále očekával u vnitřní struktury článků směrem k mikrokrystalickému až nanokrystalům křemíku. Prostě k nějaké placaté formě typu grafen, grafyn, silen, fosfen.
Fotovoltaika bude makat za slunečního světla, problému s akumulací elektřiny se dá těžko vyhnout.
Naše louky ukazují, že fotovoltaika nezvládá ani tak primitivní záležitost jako je natočení panelu kolmo k vycházejícímu a zapadajícímu slunci a šikmo k nadměrnému záření v poledne, které vede k přehřátí a snížení účinnosti.
článek :
"při absorpci zeleného světla, které vlastně představuje nejvíce intenzivní část spektra viditelného záření Slunce"
http://www.czrea.org/files/images/OZE/FV_slunecni_spektrum.jpg
Zdá se, že největší počet fotonů je ve žluté oblasti, asi proto je Slunce vizuálně žluté.
http://www.treking.cz/astronomie/slunce-spektrum.gif ( = http://images.slideplayer.cz/11/3104490/slides/slide_7.jpg)
Graf energie slunečního záření [W/m2nm] podle vlnové délky a energie má relativně ploché maximum (při hladině moře) pro oblast řekněme 500-600 nm, tedy převážně v zelené oblasti.

Odpovědět

To se mi moc nezda...

Jan Novák9,2016-12-04 08:18:02

Zlepsit ucinnost vyrazenim podstatne casti prikonu. Rostlina ma jine duvody, organicky material je velice choulostivy na volne elektrony a mechanizmy zpracovani jsou podstatne jine nez PV, jak tu nedavno probehlo v diskuzi (diky za to, miluju kdyz se z diskuze dozvim vice nez ze clanku, takova diskuze ma smysl).
Ja bych spis vsadil na nanokondenzatory a superrychle diody v kazde bunce, coz je ovsem neekonomicke.

Odpovědět


Re: To se mi moc nezda...

Josef Hrncirik,2016-12-04 11:08:06

Mám pocit, že účinnost PV, tj. fotodiody prakticky nezávisí na intenzitě osvětlení.
Výkon pochopitelně ano.
Účinnost se z cca 14% u Si pravděpodobně dá zvýšit na dvojnásobek (a rel. snadno již jen solární tepelnou elektrárnou).
V průmyslové akumulaci energie je zatím nedostižná PVE.
Mám dojem, že Dlouhé Stráně vrací cca 70%.

Jak je na tom Elon?
ev. podnikatel s 3D aku z Čechie (někde od Ostravy)?

Odpovědět


Re: Re: To se mi moc nezda...

Josef Hrncirik,2016-12-04 11:11:48

Jak dramaticky nízká je účinnost PRC měniče doma na půdě?

Odpovědět


Re: Re: Re: To se mi moc nezda...

Josef Hrncirik,2016-12-04 11:13:48

Mohl by mi ohřívat H2O v boileru nebo hnát termočlánky?

Odpovědět


Re: Re: To se mi moc nezda...

Milan Krnic,2016-12-04 13:59:07

Vyrozuměl jsem, že v článku jde hlavně o tlumení výkyvů. O účinnost nepřímo.
Co se týče HE3DA, pak Pan Procházka uváděl, že první baterie by měli být koncem letošního roku. Vzhledem k tomu, že konec roku již máme a je je ticho po pěšině, moc velkou naději tomu projektu nedávám.
U Elona ticho po pěšině není. Ale to je tak asi zatím vše.
No a pak se tu vyvrbila i nějaká ta konkurence:
http://www.fitcraftenergy.cz/?page_id=48&lang=cs
Ale jak je to s realizací u ní, netuším.
Na to, že máme dobu těch Internetů, je to bída.

Odpovědět


Re: Re: Re: To se mi moc nezda...

Josef Hrncirik,2016-12-04 15:41:21

Nějaký elektrocar
by mohl místopřísežně prohlásit,
kolik % energie vyždímá zpět na svorky elektromotoru při běžné jízdě (režimu vybíjení)
oproti 100% skutečnému odběru na hodinách ze sítě (tj. reálně nutnému vstupu do aku; při režimu nabití plné kapacity během nočního I)
Porazí Dlouhé Stráně?

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: To se mi moc nezda...

Milan Krnic,2016-12-04 19:01:07

Za to, že mu nějakou energii kradou fyzikální jevy, on přeci nemůže. Bral bych reikycar.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: To se mi moc nezda...

Petr Nejedlý,2016-12-05 04:51:01

Nemohu sloužit v absolutních číslech zásuvka-osa, ale z hlediska EVSE->počítadlo v baterce mi to vychází 12kWh ze sítě pro 11kWh v baterkách, přičemž je pro mě podstatné, že na těch 11kWh (12 ze sítě) ujedu cca 42 mil (střednědobý průměr 3,8 míle na kWh).
V tom průměru je započítáno i to, kolik z kopečka zpět do baterek nabrzdím. Sám 80kWh BLDC motor má účinnost vysoko přes 95%, ale dvojitý průchod invertorem (rekuperace a pak opětovné použití pro pohon) finální cykl sráží něco nad 70%.
Pokud dobře chápu původní záměr této otázky, odhadoval bych účinnost plného cyklu skrze akumulátory někde kolem 80%, nicméně toto není fér porovnání s dlouhými stráněmi - proti těm dálkově zapínaná nabíječka elektromobilu vyhraje vždy - uloží do akumulátoru energii, která by beztak byla potřeba v tom akumulátoru, i když možná až "pozítří", zatímco nikdo nepotřebuje "pozítří" vysokou hladinu dlouhých strání.

Abych adresoval velmi trefně specifikované "plné nabití" - když elektromobil nabíjím na 100%, je to jeho představa 100%, nikoli skutečný tvrdý limit akumulátoru. BMS udržuje baterky max na 4.1V (nevím kolik min), takže ty nejméně efektivní části nabíjecí křivky nejsou využity.

Zrovna tak není nutně třeba nabíjet na 100%. Můj elektromobil má nastavení pro 80% a to by mi pro běžný denní provoz stačilo. Proto nahoře zmiňuji "dálkově ovládanou nabíječku" - pokud by mi rozvodné závody daly kontrakt na noční proud typu: "V 6 ráno bude auto nabito mezi 80-95%", dal bych jim volnou ruku využít _jednosměrně_ 15% kapacity mého akumulátoru pro stabilizaci sítě. Princip je jednoduchý, půlku připojeného vozového parku přes 80% dobíjím, půlku si šetřím. V případě přebytku v síti připnu další auta. V případě nedostatku ta dostatečně nabitá odepnu.
Je ale pravdou, že pro vyrovnání plného regulačního výkonu Dlouhých Strání by byl potřeba cca. padesátitisícový vozový park a pro vyrovnání plné kapacity ještě více.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: To se mi moc nezda...

Josef Hrncirik,2016-12-05 13:47:58

Místo placení pokuty jim to měl v různých režimech nabíjení a vybíjení a stárnutí změřit VW.
Místo toho spoléhají na Allaha, že to za ně udělají levně s tajně zapůjčenými vozy a přístroji inženýři ze Syrie.

Odpovědět


Re: Re: Re: To se mi moc nezda...

Milan Krnic,2016-12-22 14:40:36

Tak HE3DA překvapení se koná:
http://technet.idnes.cz/baterie-he3da-novy-provoz-0hs-/tec_technika.aspx?c=A161219_154351_tec_technika_mla

Odpovědět


Ani USA, ani Čechie nejsou schopni trojčlenkou vypočítat náklady na uskladnění 1 kWh

Josef Hrncirik,2016-12-23 09:48:12

Překvapivě velké a chybné náklady uložení energie (peněz investorů); Problém získat 30M Kč,-. Trojčlenkový problém.
V tabulce "srovnání baterií" Technet 12.VI.2015 místo dolarů/uvolněnou (vyskladněnou)kWh
0,14 USD; 0,27; 0,07; 0,045 (což se zjevně dostalo až pod cenu vstupního proudu) má být
0,33 USD; 0,35; 0,12; 0,095
Básník asi měl na misly klamavě reklamně cenu ztráty energie při odběru 1 kWh DO AKU.
Dostane sice menší čísla, která nikoho nezajímají, ale navíc to má špatně! Potom měl kecat.
0,142; 0,27; 0,07; 0,046 podle platných pravidel zaokrouhlován, i při podlé hlášce, že jde o cenu za uchovanou energii.
Jde jen o cenu za energii odebranou ze sítě, tj. vskladněnou.
Godd make America Great a gain.

Odpovědět


Stejně se vykašlali na 90% účinnosti převodu DC-AC.

Josef Hrncirik,2016-12-23 09:53:42

K.Marx. "Při zisku 300% se kapitál neštítí žádného zločinu".

Odpovědět


V době postpravdivostní se dostáváme do čela

Josef Hrncirik,2016-12-23 10:12:21

Jak tlusté chcete?
Tlusté potřebují pouze déle nabíjet (až 8 h).
Všechny, i podvyživené, lze vybíjet bez problémů i vášnivými zkraty.
Proč se však nedaří nabíjet je rychleji?
Jaká je účinnost při vášnivém hlubokém nabíjení (vybíjení)?
Proč nejsou stejné?

Odpovědět


Re: V době postpravdivostní se dostáváme do čela

Milan Krnic,2017-01-02 17:41:34

Bez dostatečných recenzí nekoupím ani chleba.
Tady je to navíc jedno, protože mají prý na 100 let vyprodáno.

Odpovědět

Tématicky (omlouvám se)

Milan Krnic,2016-12-04 00:02:15

Víte co to znamená?
https://www.youtube.com/watch?v=IP59P1BU3Gg

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni