Sådan kan vi udnytte naturens energi
En af fremtidens største udfordringer er at udvikle et energisystem, der kan dække energibehovet på en miljøvenlig måde. Læs her hvordan sol og vind kan udnyttes bedre ved hjælp af nanoteknologi

Flere lande har planer om at flytte vindmølleparker fra land til vand, hvilket stiller højere krav til materialer. (Foto: Colourbox )

Flere lande har planer om at flytte vindmølleparker fra land til vand, hvilket stiller højere krav til materialer. (Foto: Colourbox )

Når vi kan mærke, at det blæser, er det i virkeligheden, fordi molekylerne i luften bevæger sig - det vil sige, at de har en vis kinetisk energi. Når molekylerne bevæger sig hurtigt kan de få andre ting til at bevæge sig, som for eksempel vingerne på en vindmølle. Bevægelsen overføres altså fra molekylerne til vindmøllen og kan således drive en turbine og på den måde lave elektricitet. Dette princip er i sig selv meget simpelt.

Nanoteknologi kan hjælpe med at forbedre effektiviteten af vindenergi, så denne energiform med tiden vil kunne leve op til det energisystem, vi kender i dag. Og nanoteknologi er allerede taget i brug i vindmøller: For eksempel er der udviklet smøremidler, der indeholder nanopartikler til turbinerne. Partikler virker som bittesmå kugler, og på den måde mindsker de den energi, der går til spilde i turbinen på grund af gnidningsmodstand. Ligeledes er der udviklet avancerede materialer til turbinen, der gør det muligt at udvinde energi ved lavere vindstyrke og øger holdbarheden, hvilket mindsker udgifterne til vedligeholdelse.

Vindmøller til havs

Flere lande, ikke mindst Danmark, har store planer om at etablere store vindmølleparker ude på havet. Fordelene ved at flytte vindmøllerne væk fra land er blandt andet højere vindstyrker samt færre gener fra støj og uforskønnede naturområder. Dog stiller de nye omgivelser højere krav til de materialer, som vindmøllerne fremstilles af. Møllerne skal kunne modstå kraftig vind og bølger samt være resistente overfor fugt og kunne modstå saltvandets rustende effekt.

De fleste vindmøllevinger er i dag blandt andet lavet af en slags plastik, som i høj grad kan optage fugt, hvorved styrken og stivheden falder. Nu har nanoforskere udviklet en ny metode til at fremstille plastik, der øger både styrken, hårdheden og modstandskraften overfor fugt. For at optimere materialet yderligere eksperimenteres der nu med at tilsætte nanopartikler af ler, som måske kan styrke materialerne yderligere. Indtil videre tyder resultaterne på, at partiklerne har en enorm positiv effekt, og at det kan være vejen frem mod de store vindmølleparker.

'Grøn hud'

Der er ingen tvivl om, at det er populært at være miljøvenlig både når det kommer til industri og politik. Der har derfor været en tendens til at vise, hvor 'grøn' man er ved at bygge den største vindmølle (Maglev wind turbine, Bahrain world trade center), det største solcelleanlæg (Mojave desert) eller ligefrem en helt ny 'grøn' by (Rak Gateway, Masdar carbon neutral city).

Disse store projekter er glimrende eksempler på, at vi må være visionære omkring fremtidens energisystemer. Men det er også nødvendigt at udvikle systemer, der allerede kan implementeres på eksisterende bygninger og i mindre skala - i hvert fald til en start. Det er netop, hvad projektet Nano Vent-skin arbejder mod ved at give eksisterende objekter 'hud af solceller, kuldioxid filtrer og masser af små vindmøller.

Det ydre lag af 'huden' består af organiske solceller. Elektronerne herfra transporteres ind til nogle lange nanotråde, der leder elektronerne til elektroden og dermed danner elektricitet. Det mellemste og tykkeste lag består af en særlig konstruktion, nærmest et netværk af små vindmøller, der roterer i vinden og på den måde også genererer elektricitet. Det inderste lag består at et nanomateriale, der filtrerer kuldioxid fra når luften blæser igennem. Den grønne 'hud' fremstilles ved hjælp af nanoteknologi-baserede processer, der forbruger kuldioxid, hvilket gør dette produkt endnu mere gavnligt for miljøet.

Nano Vent-skin har mange anvendelsesmuligheder. Det kan monteres på eksempelvis bygninger, på åbne arealer og støjmurer men også i tunneller hvor turbulensen, der skabes af biler eller tog, vil kunne få de små vindmøller til at lave strøm.

Nanoteknologi til solenergi

Fra jordens overflade er der cirka 149 millioner kilometer til den kilde, der forsyner os med energi. Vi taler selvfølgelig om solen. Den del af solens stråler, der når jordens overflade, leverer 10.000 gange mere energi, end hele jordens befolkning forbruger.

Dog er det kun en meget lille del af denne energi, vi benytter os af. I dag dækkes langt over 80 procent af vores energibehov af fossile brændstoffer. På grund af de klimaforandringer vores energivaner medfører og de svindende brændstofreserver, er det nødvendigt for os at begynde at tænke i nye energibaner

Solens stråler er fyldt med energi. En masse af den energi kan vi udnytte ved at benytte de fremskridt, der sker indenfor solceller, og på den måde kan vi få den elektricitet, der danner basis for vores samfund på en grønnere måde.

Nutidens Solceller

De solceller der hovedsageligt anvendes i dag virker ved hjælp af såkaldte halvleder materialer, oftest silica. Når lyset fra solen rammer cellen, absorberes noget af lysets energi. Herved frigøres elektroner i halvlederen, og disse kan nu 'flyde' gennem materialet. Ved at tilsætte små mængder af andre materialer til halvlederen, f.eks. bor, kan den retning hvori elektronerne flyder ensrettes. Det betyder, at når solens stråler rammer cellen, vil der skabes en konstant strøm af elektroner - bedre kendt som elektricitet! Solceller der udelukkende benytter sig af dette princip har to overordnede ulemper: De kan maksimalt opnå en effektivitet på 25 procent i forhold til udnyttelsen af den samlede mængde solstråling, og de er samtidig dyre at fremstille.

Den lave effektivitet skyldes, at lyset skal have en helt bestemt energi for at løsrive en elektron fra halvleder materialet. Hvis lyset har for lav energi, vil det blot passere lige gennem solcellen. Har det for høj energi, vil en elektron blive løsrevet, men den ekstra energi, som lyset besidder, vil gå til spilde. Disse to effekter giver alene et tab på mere end 70 procent og betyder, at det er meget svært at optimere effektiviteten i solceller alene baseret på halvlederteknologi. Masseproducerede solceller af denne type har ofte kun en effektivitet på omkring 10 procent.

Solceller kan blive mere effektive ved hjælp af nanoteknologi. (Foto: Colourbox )

Det lyder selvfølgelig som om, at fremtiden tegner rigtig dårligt for solceller. Men der er flere nanoteknologiske løsninger på vej med mere effektive og billigere typer af solceller.

Plastiske solceller

Solceller bestående af plastik (polymerer) er ikke en helt ny opfindelse, men de typer, man tidligere har kendt, har kun været i stand til at udnytte solens synlige lys. Omtrent halvdelen af solens stråler er synlige. Resten er infrarød stråling, dvs. varme. Alt hvad der er varmt; dyr, mennesker og selve jorden, frigiver infrarød stråling. Det betyder, at denne slags solceller vil kunne producere elektricitet, selv når solen ikke skinner. Eksperter forudsiger, at plastiske solceller i fremtiden vil kunne blive op mod fem gange så effektive som nutidens solceller.

De nye plastiske solceller består af en kombination af det samme polymermateriale, som de tidligere typer også var fremstillet af og særligt fremstillede nanopartikler, såkaldte kvantum dots. Sidstnævnte er designet således, at de netop kan omdanne de infrarøde stråler til elektricitet.

Udover den øgede effektivitet har plastiske solceller også en anden fordel: De virker selv i meget tynde lag og kan sprayes på en given overflade. F.eks. kunne man forestille sig en jakke dækket med et tyndt lag solcelle, der kunne lave strøm til opladning af mobiltelefon, mp3-afspiller mv. Eller hvad med at 'male' hele bilen eller huset med solceller?

Kulstof nanorør kan forbedre solceller

Solceller baseret udelukkende på nanopartikler har et stort potentiale, da nanopartikler i høj grad kan absorbere lys og danne frie elektroner. Dog har sådanne solceller ofte en lav effektivitet, da det har vist sig at være svært at 'høste' de løsrevne elektroner. Dette skyldes, at elektronerne skal følge en snørklet vej via partiklerne for at nå elektroden, og mange af dem når derfor aldrig frem.

Nu har det dog vist sig, at dette problem kan afhjælpes ved at tilsætte kulstofnanorør. Forskere har blandt andet vist dette i en solcelle bestående af titandioxid nanopartikler, hvor kulstofnanorørene mere end fordoblede effektiviteten. Kulsstofnanorør kan nemlig lede elektroner og giver derfor elektronerne en mere direkte vej til elektroden. En fordel ved at anvende titandioxid er, at det er et kemikalie, der er let tilgængeligt, og som man allerede har et stort kendskab til. Titandioxid er f.eks. hovedingrediensen i hvid maling.

Lavet i samarbejde med iNANO ved Aarhus Universitet

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs mere om blandt andet det mikroskopfoto, som du kan se herunder.


Annonce: