211service.com
Utnyttja direkt solenergi för framdrivning
Solen är den vanligaste källan till förnybar energi. Men all teknik som utnyttjar solljus, inklusive solceller och biobränslen, kräver mellansteg och infrastruktur för att förvandla solens strålar till något som kan användas för att utföra arbete i en maskin. Forskare vid University of California, Berkeley, använder kolnanorör för att bygga små, enkla vattenburna maskiner som drivs direkt av solljus. I teorin, säger de, skulle dessa maskiner kunna skalas upp för att göra energigenererande pumpar direkt drivna av solen.
Solspin: En rotor med fyra fenor (mitten) som flyter på en vattenpöl snurrar när den utsätts för solljus. Till vänster finns en lins som används för att rikta solljus mot rotorn; den ljusa formen bredvid rotorn är reflekterat solljus.
De soldrivna maskinerna förlitar sig på vattnets ytspänning. Vattenmolekyler attraheras starkt av varandra. Dessa högenergiinteraktioner kan, under rätt förhållanden, dra föremål över vattnet. Berkeley-maskinerna är bitar av klar plast, ungefär en centimeter på sin längsta kant, inbäddade med remsor av vertikalt riktade kolnanorör. När ljus från solen eller från en laser fokuseras på maskinen som flyter på en vattenpöl, värms nanorören upp och värmer vattnet runt dem. Detta orsakar en minskning av ytspänningen lokaliserad till ett område av maskinen, som i sin tur drivs framåt bort från lågspänningsdelen av ytan.
Andra liknande system bryter ytspänningen med hjälp av elektriska pulser, men detta kräver en strömkälla som ett batteri eller en solcell. Detta är bättre eftersom du eliminerar mellanhanden och får en hel del arbete, säger Alex Zettl , en professor i kondenserad materiens fysik vid Berkeley som ledde forskargruppen med Jean M.J. Fréchet , professor i kemi och kemiteknik. Vi tror att vi är inne på något eftersom ytspänningen är väldigt kraftfull, säger Zettl.
Hittills har Berkeley-teamet demonstrerat två grundläggande soldrivna maskiner. Den första, en rektangulär plastbåt med en nanorörsremsa på baksidan, utför linjär rörelse. Genom att rikta laserljus eller använda en lins för att fokusera solljus antingen i mitten av nanorörsremsan eller i dess hörn, kan båten riktas rakt fram eller i cirklar. När ljus fokuseras på den kan en cirka en centimeter lång båt färdas så snabbt som åtta centimeter per sekund. Den andra maskinen är en enkel rotor med en nanorörsremsa på ena sidan av var och en av dess fyra fenor. När den utsätts för direkt solljus snurrar den med cirka 70 varv per minut. Båda maskinerna har endast testats i containrar i labbet.
Kolsvart: Vertikala arrayer av kolnanorör, som visas här inbäddade i en klar polymer, absorberar nästan allt solljus som träffar dem. Detta svepelektronmikrofotografi visar kanten på en av båtarna.
Det här är ganska enkla saker, men det är gjort möjligt av sofistikerade material, säger Zettl. Tidigare denna månad fastställde forskare vid Japans Meijo-universitet att kolnanorör ordnade i skogsliknande, vertikala arrayer är svartast material som någonsin testats och absorberar nästan allt ljus som faller på dem. Detta material har de idealiska egenskaperna för att samla energi från solen, säger Fréchet.
Zettl och Fréchet säger att i teorin borde dessa termiska ytspänningseffekter vara skalbara. Berkeley-gruppen började med maskiner i millimeterskala, inte bara för att de var bekväma att testa i labbet, utan också för att manipulera föremål av denna storlek i vätska innebär särskilda utmaningar. Turbulens är en enorm faktor på millimeterskalan, säger Fréchet. Den ljusdrivna mekanismen skulle potentiellt kunna användas för att flytta objekt i nanoskala genom mikrofluidiska enheter som används för medicinsk diagnostik. På nanoskala, säger Fréchet, slår ytspänningen gravitationen. Forskarna hoppas också kunna skala upp sitt arbete för att tillverka riktiga båtar. Linser monterade på baksidan av en stor båt bör fokusera tillräckligt med solljus på de absorberande nanorören för att driva den. De hoppas också kunna göra stora nanorörinbäddade rotorer för generatorer som drivs av solen.
Nu måste de se om detta kommer att fungera i en verklig miljö, säger Dean Alhorn, ledande ingenjör på NASA:s soldrivna satellit NanoSail-D . NASA:s satellit, som testades i somras, använder ett reflekterande material för att absorbera impulsen, snarare än värmen, från fotoner; denna teknik borde fungera bra i rymdens vakuum men har inte varit praktiskt på jorden. Alhorn säger att Zettl och Fréchet har visat att det är ljuset, inte något annat, som får de små båtarna att röra sig. Han konstaterar dock att maskinerna endast har testats i badkar med vatten inne i labbet. Alhorn säger att forskarna måste svara på frågan, hur mycket kraft kan de generera, kontra motsatta krafter som vågor i den verkliga världen?
Berkeley-forskarna säger faktiskt att deras nästa steg är att vidareutveckla sina enheter. Det här kan vara väldigt effektivt eftersom nanorör absorberar ljus så bra, men vi måste se om det här är ett hållbart termodynamiskt system, säger Zettl.