Článek
Přechod na čistou, obnovitelnou energii má jeden obrovský zádrhel. Ačkoliv nám Slunce posílá na Zemi každý den gigantické množství energie, naše současná technologie je při jejím sběru zoufale neohrabaná. Obyčejné křemíkové solární panely, které si dnes dáváme na střechy, dokážou na elektřinu přeměnit sotva 20 až 25 % dopadajícího světla.
Fyzici dlouhá desetiletí tvrdili, že existuje nepřekonatelný matematický a fyzikální strop. Říkali nám, že kvůli zákonům termodynamiky a kvantové mechaniky zkrátka nemůžeme mít solární panel, který by překonal takzvaný 100% kvantový výtěžek. Znělo to logicky – nemůžete přece z panelu dostat víc, než kolik do něj vstoupí. Vytvořit něco s účinností 130 % by znamenalo doslova oklamat samotnou přírodu.
Jenže přesně to se podařilo. Zpráva, která nedávno otřásla technologickým světem, zní jako naprosté vědeckofantastické šílenství. Výzkumníkům se podařilo donutit solární článek pracovat s kvantovým výtěžkem 130 %. Co to znamená? Stojíme na prahu nové éry energetiky?
Proč klasické panely selhávají
Nejprve se musíme podívat na to, proč staré solární panely tak moc plýtvají energií.
Světlo k nám letí ve formě malých energetických balíčků – fotonů. Když foton narazí do solárního panelu, předá svou energii elektronu v křemíku. Elektron se „utrhne“, začne se pohybovat a tím vzniká elektrický proud. Základní, neúprosné pravidlo klasické fyziky zní: Jeden foton může uvolnit vždy jen jeden jediný elektron.
To zní poměrně abstraktně. Představte si proto solární panel jako automat na kávu, kde jedna káva stojí přesně deset korun.
- Když do automatu hodíte desetikorunovou minci (foton s nízkou energií, třeba červené světlo), dostanete jednu kávu (jeden elektron). Vše je v pořádku.
- Slunce k nám ale posílá i fotony s obrovskou energií (například modré nebo ultrafialové světlo), které si můžete představit jako padesátikorunovou minci.
Co se stane, když do křemíkového „automatu“ hodíte padesátikorunu? Automat vám stále vydá jen jednu jedinou kávu. A těch zbylých čtyřicet korun vám nevrátí. Jednoduše je zničí a přemění je na teplo. Klasický solární panel se proto na slunci extrémně zahřívá a obrovské množství drahocenné energie se bez užitku vypaří do vzduchu.
Kvantový kulečník: Jak z jedné koule udělat dvě
Odpověď na tento problém nenašli vědci v křemíku, ale v manipulaci s hmotou na té absolutně nejmenší představitelné úrovni – ve světě kvantových teček (nanokrystalů).
Když experti upravili architekturu článku do specifických nanostruktur, stalo se něco neuvěřitelného. Podařilo se jim probudit fenomén zvaný MEG (Multiple Exciton Generation – mnohonásobná generace excitonů).
Tento proces funguje jako mikroskopický kulečník. Když onen vysoce energetický foton (naše padesátikorunová bankovka) narazí do tohoto nového, kvantového materiálu, jeho obrovská energie se nepromění ve zbytečné teplo. Namísto toho se foton roztříští s takovou razancí, že nevyrazí ze struktury jen jeden elektron, ale dokáže vyrazit dva, nebo dokonce více elektronů současně.
Je to fyzikální hack. Oklamali jsme automat na kávu. Hodíme do něj padesátikorunu a on nám místo jedné kávy a ztráty drobných vydá hned několik káv najednou. Jeden jediný dopadající sluneční paprsek najednou generuje zdvojnásobené množství elektrického proudu.
To je důvod, proč vědci mluví o 130% kvantovém výtěžku. Neznamená to, že by článek tvořil energii z ničeho (což by porušovalo zákon zachování energie). Znamená to, že na každých 100 fotonů určité vlnové délky, které do článku vstoupí, vygeneruje materiál 130 elektronů. Zlomili jsme pravidlo „jeden foton = jeden elektron“.
Revoluce, která změní naše střechy
Tento objev neznamená, že si zítra půjdeme do obchodu koupit panel, který ze Slunce vysaje 130 % veškeré možné energie. Kvantový výtěžek se týká účinnosti přeměny světla (vysokoenergetických fotonů) na elektrony uvnitř samotného článku, nikoliv celkové energetické konverze celého panelu. Přesto jde o absolutní průlom, který drasticky zvyšuje teoretické limity solární technologie.
Co to pro nás znamená v praxi?
- Menší panely, obrovský výkon: Díky technologii MEG nám bude pro srovnatelný výkon solární elektrárny stačit mnohem menší plocha. Vaše střecha najednou dokáže vyrobit podstatně více energie.
- Konec přehřívání: Protože se vysoká energie UV a modrého záření už nebude bezúčelně měnit na teplo, panely se nebudou v létě tolik přehřívat. Snížení teploty panelu navíc dále prodlužuje jeho životnost a zvyšuje jeho stabilitu.
- Levnější elektřina: Jakmile se tyto materiály (například pokročilé perovskity nebo kvantové tečky) podaří stabilizovat pro komerční masovou výrobu, cena vyrobené solární kilowatthodiny opět radikálně klesne.
Lidstvo dlouho bojovalo se Sluncem jako se zdrojem, který nedokážeme efektivně spoutat. Ztráceli jsme energii v podobě zbytečného tepla. Objev 130% kvantového výtěžku nám ale ukazuje, že když se přestaneme držet starých fyzikálních dogmat a pohlédneme do fascinujícího světa kvantové mechaniky, limity neexistují. Náš vesmír je plný energie. Jen jsme konečně museli zjistit, jak si říct o to, aby nám automat vydal všechno do poslední kapky.
P.S.
Díky, že jste se mnou nahlédli do laboratoří, kde se právě přepisují zákony fyziky! Pokud vás fascinuje představa, že by naše střechy mohly díky „kvantovému kulečníku“ vyrábět násobně více energie a definitivně nás zbavit závislosti na uhlí, budu moc rád za vaši finanční podporu. I symbolický příspěvek mi pomůže dál sledovat tyto přelomové technologie a přinášet vám zprávy o světě, kde je čistá energie standardem.
