"Fotonski suncokret": solarna ćelija koja automatski slijedi smjer Sunca i kut svjetlosti

Nova tehnologija utire put inteligentnim fotonaponskim ćelijama i drugim visoko učinkovitim uređajima programiranim na makro i nano ljestvici

Mladen Smrekar nedjelja, 14. ožujka 2021. u 06:30

Istraživači s Tehničkog fakulteta Sveučilišta Tufts stvorili su kompozitne uređaje koji se aktiviraju svjetlošću. Oni mogu izvoditi precizne, vidljive pokrete te oblikovati složene trodimenzionalne oblike bez potrebe za žicama ili drugim pokretačkim materijalima ili izvorima energije.

Fotonski kristali

Dizajn kombinira programabilne fotonske kristale s elastomernim kompozitom koji se može dizajnirati na makro i nano skali kako bi reagirao na svjetlost. 

Kut pod kojim se svjetlost susreće s kristalnom površinom utječe na apsorpciju valnih duljina
Kut pod kojim se svjetlost susreće s kristalnom površinom utječe na apsorpciju valnih duljina

Istraživanje pruža nove mogućnosti za razvoj pametnih sustava vođenih svjetlom, poput visoko učinkovitih solarnih ćelija koje automatski slijede smjer Sunca i kut svjetlosti ili mekanih robota pokretanih svjetlošću. Priča o "fotonskom suncokretu", čije se latice uvijaju prema izvoru osvjetljenja, objavljena je u časopisu Nature Communications.

Kut pod kojim se svjetlost susreće s kristalnom površinom može utjecati na to koje se valne duljine apsorbiraju i na toplinu koja nastaje iz te apsorbirane energije. Fotonski materijal koji su dizajnirali Tuftsovi istraživači spaja dva sloja: film nalik opalu izrađen od svilenog fibroina dopiranog nanočesticama zlata (AuNP) i temeljni supstrat polidimetilsiloksana (PDMS), polimera na bazi silicija. 

Izuzetno fleksibilan, trajan i dobrih optičkih svojstava, svileni fibroin neobičan je po tome što ima negativan koeficijent toplinskog širenja (CTE). To znači da se skuplja kada se zagrije i širi kad se hladi. PDMS, nasuprot tome, ima visoki CTE i brzo se širi zagrijavanjem. Kad se ovaj novi materijal izloži svjetlosti, jedan se sloj zagrijava puno brže od drugog pa se materijal savija kako se jedna strana širi, a druga skuplja ili sporije širi.

Bez električne energije i žica

"Kad se svjetlost pomiče, a količina apsorbirane energije mijenja, materijal se savija i kreće, ovisno o njegovom relativnom položaju prema toj svjetlosti", objašnjava profesor Fiorenzo Omenetto koji se bavi istraživanjem ultrabrze nelinearne optike, nanofotonike, biopolimernih multifunkcionalnih materijala, i fotonskih kristala.

profesor Fiorenzo Omenetto istražuje ultrabrzu nelinearnu optiku, nanofotoniku, biopolimerne multifunkcionalne materijale i fotonske kristale
profesor Fiorenzo Omenetto istražuje ultrabrzu nelinearnu optiku, nanofotoniku, biopolimerne multifunkcionalne materijale i fotonske kristale

Dok većina optomehaničkih uređaja koji pretvaraju svjetlost u kretanje uključuje složenu i energetski intenzivnu izradu ili postavke, istraživači su s ovim materijalom postigli izvrsnu kontrolu pretvorbe svjetlosne energije i generirali kretanje bez potrebe za električnom energijom ili žicama.

Autori su u svojoj studiji demonstrirali "fotonski suncokret", s integriranim solarnim stanicama u dvoslojnom filmu tako da stanice prate izvor svjetlosti.

Istraživači su eksperimentirali i sa solarnim "leptirima"
Istraživači su eksperimentirali i sa solarnim "leptirima"

Fotonski suncokret držao je kut između sunčevih ćelija i laserske zrake gotovo konstantnim, maksimalizirajući učinkovitost stanica dok se svjetlost kretala. Sustav bi jednako dobro radio s bijelom svjetlošću kao i s laserskom svjetlošću. 

Takvi bežični, heliotropni sustavi koji reagiraju na svjetlost mogli bi povećati učinkovitost pretvorbe svjetlosti u energiju za solarnu industriju, nadaju se istraživači koji su osim sa "suncokretima" eksperimentirali i s fotonaponskim "leptirima" čija su se krila otvarala i zatvarala kao odgovor na svjetlost, ako i kutiju čiji se poklopac sam otvara i zatvara.