Ilta pimenee Palo Altossa Kaliforniassa, ja tähtikirkas taivas tulee esiin Stanfordin yliopiston yllä.
Kaikki huokuu rauhaa, mutta joillakin on vielä päivän työt kesken.
Yhden yliopiston rakennuksen katolla häärää joukko fyysikkoja ja sähköinsinöörejä mullistavan kokeen parissa.
Viilenevässä illassa käytetään laitetta, joka voi kääntää päälaelleen käsitykset siitä, mitä aurinkovoima on.
Tutkijat tarkastavat mittauslaitteensa ja toteavat merkittävän asian: heidän keksintönsä tuottaa sähköä – ei niinkään siitä huolimatta, että laite on ulkona pimeässä, vaan pikemminkin sen ansiosta, että se on paljaan taivaan alla ja lämpö karkaa avaruuteen.
Keksintö on käänteinen aurinkopaneeli. Kun tavalliset aurinkopaneelit tuottavat sähköä auringonsäteiden osuessa niihin, tässä laitteessa syntyy sähköä, kun se yöllä lähettää auringon lämpöenergiaa pois maapallolta.
Käänteentekevässä aurinkovoimatekniikassa sovelletaan lämpösähköisen generaattorin ideaa uusiutuvan energian tuottamiseen täysin uudella tavalla.
Avaruuden kylmyys tuottaa sähköä yöllä
Lämpösäteily nousee maapallolta
Aurinko lämmittää Maata päivällä, mutta yöllä lämpö haihtuu avaruuteen infrapunasäteilynä, jonka aallonpituus on suurempi kuin näkyvän valon.
Avaruuden kylmyys ”vetää” lämpöä puoleensa
Avaruuden −270,42 °C on lähellä absoluuttista nollapistettä. Lämpöenergia siirtyy aina lämpimämmästä kylmempään, eli maapallon lämpö pyrkii avaruuteen.
Lämmön siirtyminen tuottaa sähköä
Kun lämpö kulkee käänteisen aurinkopaneelin kautta, se panee elektronit liikkeelle ja saa näin aikaan sähkövirran.
Tekniikka voi johtaa aurinkopaneeleihin, jotka toimivat vuorokauden ympäri. Lisäksi käänteiset aurinkopaneelit pystyvät tekemään sähköä lämpimistä savukaasuista, joita esimerkiksi tehtaat päästävät.
Tämä sähköntuotantotapa saattaa mahdollistaa jopa muuttamiseen Marsiin.
Lämpö viilentää rakennuksia
Käänteisen aurinkopaneelin edeltäjä on jäähdytystekniikka. Sähköllä viilennetään paljon asuntoja esimerkiksi Yhdysvalloissa, missä ilmastointi kuluttaa 15 prosenttia rakennuksissa käytettävästä energiasta.
Sähkönkulutus pienenisi, jos lämpö yksinkertaisesti siirtyisi avaruuteen sen sijaan, että se poistetaan ilmastointilaitteilla.
Idea sai vuonna 2014 käänteisen aurinkopaneelin takana olevat Stanfordin yliopiston tutkijat suunnittelemaan radiaattorin eli patterin, joka jäähdyttää ilmaa.
Käänteinen radiaattori sitoo ilmasta lämpöä ja lähettää sen kohti kylmää avaruutta.
Radiaattori suunniteltiin lähettämään lämpö- eli infrapunasäteilyä tietyllä aallonpituudella, joka pääsee ilmakehän normaalisti säteilyä pidättävien kaasujen läpi.
Kun radiaattori viilensi allaan olevaa rakennusta, heräsi kysymys, voitaisiinko avaruuden kylmyyttä käyttää paitsi jäähdyttämiseen myös sähköntuotantoon.
Käänteinen aurinkopaneeli soveltaa höyrykoneen teoriaa
Vuonna 1824 fyysikko Sadi Carnot keksi, että höyrykone toimii, koska lämpö siirtyy aina lämpimämmästä kylmempään ja tämä energiavirta muuttuu liikkeeksi. Höyrykoneessa lämpö laajentaa höyryä ja saa näin männän liikkumaan. Sitten höyry luovuttaa lämmön jälleen. Periaatetta voidaan soveltaa kaikkiin koneisiin, jotka toimivat lämpötilaerojen perusteella. Bensiinimoottorissa liike syntyy, kun bensiinin polton kuumentama ilma laajenee ja työntää mäntää. Lämpö voi saada myös elektronit liikkeelle, ja nimenomaan tätä ominaisuutta hyödynnetään jokin aika sitten kehitetyssä käänteisessä aurinkopaneelissa.
Vanha teoria sai uutta käyttöä
Ajatus kylmempää kohti siirtyvän lämmön hyödyntämisestä sähköntuotantoon esitettiin jo vuonna 1824. Silloin ranskalainen fyysikko Sadi Carnot sai ahaa-elämyksen ihmeteltyään, miten mäntähöyrykone toimii.
Hän oivalsi, että lämpötilaero on mahdollista muuttaa liikkeeksi, koska lämpö siirtyy säännönmukaisesti lämpimämmästä kylmempään. Ja siirtyessään lämpö voi liikuttaa kappaleita.
Carnot kehitti myös kaavan, jonka avulla voidaan määrittää, paljonko mekaanista energiaa tietystä lämpötilaerosta enimmillään saadaan.
Stanfordin yliopiston tutkijat ottivat siis käyttöön melkein 200 vuotta vanhan opin. Maahan on hyvin lämmin verrattuna kylmään ulkoavaruuteen, koska se ottaa jatkuvasti vastaan auringonsäteitä.
Lämpötilaero voi liikuttaa kappaleita, ja sähkö koostuu sähköisesti varautuneista hiukkasista, tavallisesti elektroneista, jotka liikkuvat.
Siksi tutkijat pitivät mahdollisena laitetta, joka tuottaa sähköä vain 2,73 asteen päässä absoluuttisesta nollapisteestä (−273,15 °C) olevan avaruuden kylmyyden avulla.
Kaikkeuden kylmyys luo sähkövirtaa
Kun maapallolta poistuu lämpöä jääkylmään avaruuteen, energiaa siirtyy. Elektronit liikkuvat hitaammin käänteisen aurinkopaneelin yläosassa, ja siksi syntyy jännite-ero, joka saa sähkön virtaamaan piirissä.
Lämpö vauhdittaa elektroneja
Huoneenlämmössä elektronit liikkuvat satunnaisesti elohopeaa, kadmiumia ja telluuria sisältävässä aineessa. Koostumuksen ansiosta aine muuttaa infrapunasäteilyä sähköksi riippumatta siitä, ottaako se vastaan vai lähettääkö se säteitä. Kun kaikki elektronit liikkuvat yhtä nopeasti, varaus jakautuu tasaisesti aineeseen.
Kylmyys hidastaa elektroneja
Kun aurinkopaneelin lämmin aine altistuu avaruuden kylmyydelle yöllä, se lähettää lämpösäteilyä infrapunafotoneina. Jokainen fotoni kuljettaa energiaa aineesta, ja elektronit menettävät energiaa. Siksi niiden liike hidastuu aurinkopaneelin maasta pois päin osoittavassa yläosassa, joka on paljaan taivaan alla.
Jännite tuottaa virtaa
Ylä- ja alaosassa on eri määrä nopeasti liikkuvia elektroneja, mikä aiheuttaa jännite-eron, koska alhaalla on enemmän vapaasti ympäriinsä liikkuvia elektroneja. Jännite-ero saa sähkön virtaamaan piirissä, sillä elektronit liikkuvat negatiivisesti varautuneesta päästä positiiviseen päähän tasoittaakseen eron.
Kylmyys saa lamput palamaan
Kehitetty käänteinen aurinkopaneeli perustuu infrapunafotodiodiin, jota käytetään yleensä infrapunailmaisimissa vaikkapa niin sanotuissa yökiikareissa.
Niissä infrapunafotodiodi muuttaa ihmisten ja eläinten lämpösäteilyn sähkösignaaleiksi, jotka nähdään näytöllä näkyvänä valona.
Tutkijat hoksasivat, että infrapunafotodiodi voi tuottaa sähköä paitsi silloin, kun siihen osuu ulkoa tulevaa lämpösäteilyä, myös silloin, kun se on itse lämmin ja lähettää lämpösäteilyä kylmempään ympäristöön – virta vain kiertää piirissä päinvastaiseen suuntaan.
Lämpösäteily kohti kylmempiä alueita ”kähveltää” energiansa fotodiodin elektroneilta, ja siksi ne alkavat liikkua hitaammin diodin kylmemmässä päässä.
Sen seurauksena lämpimän ja kylmän pään välille syntyy sähkövarausten välinen ero. Kun kumpikin pää yhdistetään sähköpiirillä, elektronit kulkevat sen kautta tasoittaakseen eron.
Ja kas, sähkö virtaa! Juuri tällä tavalla Stanfordin yliopiston tutkijat tuottivat sähköä kokeessa, jonka he tekivät yliopiston rakennuksen katolla Palo Altossa vuonna 2019.
Katolla lämpömittari näytti 20:tä astetta, ja mittauslaitteiden mukaan saavutettu teho oli vaatimattomat 64 watin miljardisosaa neliömetriä kohti.
Laskelmat osoittavat kuitenkin, että tekniikkaa hiomalla voidaan päästä neljään wattiin neliömetriä kohti.
Se tarkoittaa, että neliömetrin kokoisella käänteisellä aurinkopaneelilla saadaan palamaan led-lamppu, joka vastaa valontuotoltaan 40 watin hehkulamppua.
Tekniikka sopii myös Marsiin
Keksinnöllä voidaan tuottaa sähköä ympäristöystävällisesti öisin – esimerkiksi niille 1,1 miljardille ihmiselle, jotka asuvat sähköverkon ulkopuolella.
Sähköttömiä kotitalouksia on paljon trooppisen vyöhykkeen maissa, ja käänteinen aurinkopaneeli toimii sitä paremmin, mitä lämpimämpää seudulla on suhteessa kylmään avaruuteen.
Lisäksi käänteisellä aurinkopaneelilla on mahdollista tuottaa sähköä tehtaiden, lämpövoimaloiden ja jätteenpolttolaitosten hukkalämmöstä, kuten savukaasujen sisältämästä lämpöenergiasta.
Tässä käyttötarkoituksessa keksintö pääsee parhaiten oikeuksiinsa, sillä suuri lämpötilaero parantaa sen toimintaa.
Kun tekniikan takana olevat tutkijat kuumensivat fotodiodinsa 96-asteiseksi, se tuotti noin 80 kertaa niin paljon sähköä kuin 20 asteen lämpötilassa.
Käänteisillä aurinkopaneeleilla voi olla ratkaiseva merkitys Aurinkokunnan tutkimukselle. Samantapaista tekniikkaa on jo käytetty Mars-mönkijä Curiosityssa.
Se saa virtaa generaattorista, joka muuttaa radioaktiivisen plutoniumin tuottamaa lämpöä sähköksi.
Uusi menetelmä tuottaa kuitenkin enemmän sähköä lämpöastetta kohti kuin vanhat.
Muiden taivaankappaleiden asuttaminen tuskin onnistuu ilman uusiutuvaa energiaa, jota on tarjolla jatkuvasti.
Marsissa tavallinen aurinkopaneeli toimii tehottomammin, mutta käänteinen aurinkopaneeli voi olla hyvä vaihtoehto ohuen kaasukehän ja pilvien vähyyden takia.
Tämä artikkeli on julkaistu ensimmäisen kerran 2020