Sončna celica deset metrov pod morsko gladino se na prvi pogled ne zdi najbolj smiselna – vode je nad njo veliko, svetlobe pa precej manj kot na površju. A prav tam so znanstveniki preizkusili perovskitne sončne module, jih povezali s podvodnimi roboti in z njimi proizvajali električno energijo. Poskus v Južnokitajskem morju kaže, da bi lahko takšna tehnologija nekoč podaljšala delovanje naprav daleč od obale.
Perovskitne sončne celice lahko proizvajajo električno energijo tudi več metrov pod morsko gladino. (foto: Dnevne Novice / AI ilustracija)
Sončna energija tam, kjer je skoraj nihče ne bi pričakoval
Podvodni roboti, kamere in merilne naprave imajo skupno omejitev: potrebujejo energijo. Baterije zdržijo le določen čas, njihova menjava ali polnjenje daleč od obale pa lahko zahteva dodatne posege in opremo.
Ena od možnih rešitev se skriva v svetlobi, ki prodre skozi morsko vodo. Skupina znanstvenikov je zato razvila perovskitne sončne celice, prilagojene prav takšnim razmeram. Po laboratorijskih preizkusih jih je čakal precej zahtevnejši test – odprto morje.
Na 10 metrih so v dveh urah proizvedli 324 mWh
Preizkus je potekal pri otočju Weizhou v Južnokitajskem morju. Večje perovskitne module so integrirali s podvodnimi roboti in jih spustili približno 10 metrov pod morsko gladino.
V dveh urah so moduli proizvedli 324 milivatnih ur (mWh) električne energije, ki so jo uporabili za polnjenje litij-ionskih baterij. Rezultati raziskave, objavljene v znanstveni reviji Joule, kažejo, da je mogoče podvodno sončno energijo pridobivati tudi precej globlje od območij, na katera so bili omejeni številni prejšnji poskusi.
Vodja raziskave Wen-Hua Zhang je ob predstavitvi rezultatov izpostavil prav količino energije, ki jo je sistem na tej globini proizvedel v tako kratkem času.
Dosežena globina je pomembna tudi zaradi primerjave s preteklimi poskusi. Raziskave podvodnih sončnih celic so bile pred tem večinoma omejene na približno dva metra globine ali manj. Tokratni preizkus je tehnologijo prestavil precej bližje razmeram, v katerih bi jo bilo mogoče nekoč dejansko uporabljati.
Pod vodo ostane drugačna svetloba
Morska voda sončne svetlobe ne le oslabi, temveč spremeni tudi njen spekter. Različne valovne dolžine se v vodi absorbirajo različno hitro. Daljše valovne dolžine izginejo prej, modra in zelena svetloba pa lahko prodreta globlje.
Sončna celica, izdelana predvsem za razmere na strehi ali odprtem terenu, zato pod morsko gladino ni nujno optimalna.
Ekipa je uporabila perovskitne celice s široko energijsko režo, prilagojene svetlobi, ki je na takšni globini še na voljo. V laboratoriju so s sistemom optičnih filtrov najprej simulirali razmere na različnih globinah, nato pa večje module odnesli v dejansko morsko okolje.
Prav prehod iz laboratorija v morje daje rezultatu dodatno težo.
Energija je ena od omejitev raziskovanja morja
Možna uporaba takšne tehnologije sega dlje od samega eksperimenta. Podvodni senzorji spremljajo temperaturo in lastnosti vode, kamere opazujejo morske ekosisteme, komunikacijska oprema pa skrbi za prenos podatkov. Če naprava deluje daleč od obale, postane njena oskrba z elektriko precej zahtevnejša kot na kopnem.
Lokalno pridobivanje vsaj dela energije bi lahko zmanjšalo potrebo po kablih, pogostem menjavanju baterij ali dvigovanju naprav na površje.
Podoben tehnološki izziv se pojavlja tudi pri robotih, namenjenih povsem drugačnim okoljem. Nove tehnologije spreminjajo tudi način, kako lahko roboti raziskujejo težko dostopna okolja, saj morajo inženirji poleg njihovega gibanja reševati tudi vprašanja energije, komunikacije in čim večje samostojnosti.
Po 1.160 urah so rezultati ostali obetavni
Za praktično uporabo pa ni dovolj, da celica elektriko proizvaja nekaj ur. Perovskitne tehnologije morajo dokazati tudi dolgoročno stabilnost.
Po 300 dneh shranjevanja v okolju z dušikom so testirane celice ohranile približno 96 odstotkov začetne učinkovitosti. V simuliranih svetlobnih razmerah, primerljivih z globino 10 metrov, so jih preizkušali tudi 1.160 ur in poročali o zelo majhni degradaciji.
Na podlagi pospešenih testov je bila pri določenih pogojih in temperaturi 25 stopinj Celzija ocenjena življenjska doba približno 5,5 leta.
Te številke ni mogoče enačiti s petimi leti neprekinjenega delovanja v odprtem morju. Gre za oceno na podlagi testiranja, medtem ko resnično okolje prinaša dodatne dejavnike – od temperaturnih sprememb in mehanskih obremenitev do obraščanja površine modula z morskimi organizmi.
»Napajanje« robotov ima pomembno omejitev
Rezultati so obetavni, vendar še ne pomenijo, da lahko deset metrov pod gladino s sončnimi celicami neposredno poganjamo motorje večjih podvodnih robotov.
V morskem preizkusu so bili fotovoltaični moduli integrirani s podvodnimi roboti, proizvedena elektrika pa je služila polnjenju litij-ionskih baterij. Trenutna količina energije je precej bolj zanimiva za sisteme z manjšo porabo, kot so senzorji, kamere in komunikacijska oprema.
Prav pri takšnih napravah bi lahko možnost sprotnega pridobivanja energije pomenila daljše obdobje delovanja brez človeškega posega.
Naslednji preizkus bo še globlje
Deset metrov za raziskovalno skupino ni končna meja. Celice želijo preizkusiti na večjih globinah in ugotoviti, do kod lahko prodre dovolj uporabne svetlobe, da proizvodnja električne energije še ostane smiselna.
Kot je ob predstavitvi raziskave povzel tudi Cell Press, želi skupina nadaljevati preizkušanje na večjih globinah ter razviti standardizirane metode za ocenjevanje podvodne fotovoltaike.
Do podvodnih robotov, ki bi večino svojih energetskih potreb pokrivali s sončno svetlobo, je še precej korakov. Toda preizkus v Južnokitajskem morju je pokazal nekaj precej nenavadnega: uporabno sončno energijo je mogoče pridobivati tudi deset metrov pod morsko gladino.