Naukowcy opracowali materiał zachowujący się podobnie do roślin i podążający za światłem, jak słonecznik, który wraz z pozornym ruchem Słońca po niebie ustawiają się tak, aby pochłaniać jak najwięcej światła. SunBOT, bo tak uczeni nazwali technologię, może znacznie poprawić osiągi paneli słonecznych.
Zespół naukowców z University of California w Los Angeles i Arizona State University opracował materiał naśladujący rośliny i ich nachylanie się w kierunku padającego światłą. Takie zachowanie nazywane jest fototropizmem i oznacza wzrost roślin w kierunku padającego światła. Występuje przede wszystkim u roślin, ale fototropizm można zaobserwować także u innych organizmów, jak chociażby u niektórych grzybów.
Słoneczniki są chyba najbardziej znanym przykładem fototropizmu. Naukowcy opracowali podobną technologię – nazwali ją SunBOT (Sunflower-like biomimetic omnidirectional tracker). Stworzyli materiał polimerowy, który pochyla się w kierunku źródła światła bez żadnych innych czynników.
W artykule opublikowanym w czasopiśmie „Nature Nanotechnology” grupa naukowców opisuje opracowany materiał i jego skuteczność w testach.
SunBOT to pierwszy sztuczny materiał zdolny do fototropizmu. Pędy materiału przypominające cylindry, mogą manewrować, aby uchwycić około 90 procent dostępnego światła słonecznego, nawet gdy słońce pada pod różnymi kątami. Ximin He z University of California w Los Angeles (UCLA) i jej zespół twierdzą, że technologia może kiedyś zostać wykorzystana do optymalizacji paneli słonecznych, odsalania wody lub poruszania robotów.
Już wcześnie próbowano stworzyć syntetyczny materiał, który naśladowałby zachowanie słoneczników w pogoni za promieniami słonecznymi. Ale nie stworzono niczego, co choć przypominałoby zdolności SunBOTa. Materiał ten jest zdolny do samoregulacji, ustawiając się w optymalnej pozycji potrzebnej do pochłaniania jak najwięcej promieni słonecznych, a następnie wprowadzając niewielkie poprawki, śledzić pozorny ruch Słońca po niebie.
Syntetyczne łodygi, które pochylają się w kierunku źródła światła, zapewniają ruchomą platformę, która może radykalnie poprawić wydajność szeregu technologii słonecznych.
W swojej pracy uczeni przyglądnęli się żelom i polimerom, które w przewidywalny sposób reagują na światło lub ciepło. Wybrano kilka różnych materiałów jako kandydatów wartych bliższego zbadania, w tym hydrożel zawierający złote nanocząstki, plątaninę światłoczułych polimerów i rodzaj ciekłokrystalicznego elastomeru osadzonego w barwniku pochłaniającym światło.
Zdolność SunBOTa do podążania za światłem pochodzi z właściwości tych materiałów. Sztuczna łodyga słonecznika składa się z polimerów o średnicy około jednego milimetra. Została osadzona w nanomateriale reagującym na światło. Nanomateriał pochłania światło i zamienia je w ciepło, a polimer kurczy się w odpowiedzi na podwyższoną temperaturę.
Kiedy podczas testów badacze nakierowali wiązkę światła na jedną ze sztucznych łodyg, oświetlona strona rozgrzała się i skurczyła. To spowodowało, że szczyt sztucznej łodygi pochylił się w kierunku światła. Z kolei zacieniony spód łodygi ochłodził się, zatrzymując ruch SunBOTa w pozycji najlepiej zorientowanej na pochłanianie światła. Proces powtarza się, gdy zmienia się kąt wiązki światła.
Testy z innymi materiałami, takimi jak nanocząstki sadzy i polimery ciekłokrystaliczne wykazały, że składniki można mieszać i odpowiednio dobierać do pracy w różnych środowiskach i do różnych zastosowań. Na przykład hydrożelowe SunBOTy pracują dobrze w wodzie.
SunBOTy można ustawiać w rzędach, aby pokryć całą przeznaczoną do tego celu powierzchnię, tworząc „mini las sztucznych słoneczników”. Opracowany materiał ma potencjał, by rozwikłać jeden z największych problemów związanych z energią słoneczną. Ponieważ kąt padania światła słonecznego zmienia się, gdy słońce porusza się nad głową, konwencjonalne materiały nie nadążają. Materiały, które pozostają w jednej pozycji - jak ogniwa słoneczne na panelu słonecznym - wychwytują około 24 procent dostępnej energii słonecznej. Podążając za promieniami Słońca SunBOT może zebrać znacznie więcej energii światła słonecznego.
Uczeni twierdzą, że SunBOT zbiera czterokrotnie więcej energii światła padającego pod ostrymi kątami niż płaska, statyczna powierzchnia. „Nasza praca może znaleźć zastosowanie w przypadku ulepszonych urządzeń do pozyskiwania energii słonecznej, adaptacyjnych odbiorników sygnałów, inteligentnych okien, samodzielnej robotyki, żagli słonecznych do statków kosmicznych, samoregulujących urządzeń optycznych i inteligentnego wytwarzania energii (na przykład z ogniw słonecznych i biopaliw). Może też posłużyć do wykrywania i śledzenia emisji energii za pomocą teleskopów, radarów i hydrofonów” - napisali autorzy wynalazku w publikacji.
Nawet jeśli tylko garstka z przedstawionych prognoz trafi do rzeczywistego zastosowania, będzie to duże osiągnięcie.
Źródło: ScienceNews, fot. Yusen Zhad, Yousif Alsaid, Ximin He
