Klima Özellikli Antirefle Güneş Paneli

Güneş panelleri artık sadece elektrik üretmeyecek. Aynı zamanda evi de soğutacak. Koreliler klima özellikli antirefle güneş paneli üretti. Yeni panel Stanford icadı fotonik kristallerden üretilen antirefle filmle kaplanırsa güneş ısısını doğrudan uzaya yansıtarak küresel ısınmayı azaltacak.

Temiz enerji yetmez

Önceki yazılarda belirttildiği gibi çevreyi kirletmeyen temiz enerji için güneş panelleriyle gün ışığından elektrik üretmek yetmez. Bize aynı zamanda çevreyi ısıtmayan ve küresel ısınmaya yol açmayan bir teknoloji lazım.

Füzyon reaktörleriyle temiz enerji üretsek bile küresel ısınmaya bağlı iklim değişikliğinin kuraklık ve sellerle tarım alanlarını yok edip insanları açlığa sürüklemesini engellememiz gerekiyor.

Doğal afetler bir yana, atmosferdeki karbondioksit artışının tahılların besin değerini düşüreceğini ve çok yemekten şişmanladığımız halde aç kalmamıza yol açacağını düşündüğümüzde, küresel ısınmaya yol açmayan temiz enerji teknolojilerinin önemini anlıyoruz.

İlgili yazı: İnternetinizi uçuracak en iyi 10 modem

Klima özellikli güneş paneli

Güney Koreli iki bilim insanı, Profesör Seunghyup Yoo ile Nam-Gyu Park güneş ışığından elektrik üreten ve evlere pencere gibi takılan yarı saydam bir güneş paneli geliştirdiler.¹

Yeni güneş paneli aynı zamanda termal ayna gibi çalışarak ışığı geçirip elektrik üretiyor, ama ısıyı havaya vererek evin veya ofislerin içini klima çalıştırmadan soğutuyor. Böylece hem evin elektriğini üreterek hem de soğutmaya bağlı elektrik tüketimini azaltarak faturanın kabarmasını önlüyor.

İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi

 

Saydam olacak ve elektrik üretecek

Doğa ana milyarlarca yıllık deneme yanılma sürecinden sonra bize ağaç yapraklarını verdi. Bunlar fotosentez yoluyla güneş ışığından elektrik üretiyor; ama ışığı alırken ısıyı havaya veriyor. İşte bu yüzden plajdaki şemsiyenin altında sıcaktan kaynarken ağaç altında serinliyoruz.

Bugün Elon Musk’ın 2,6 milyar dolara satın aldığı kardeş şirket SolarCity ise ışığın yüzde 40’ını elektriğe çeviren verimli güneş paneli geliştiriyor. Dolayısıyla klima özellikli yarı saydam güneş paneli teknolojisinin önce piyasadaki mevcut ürünlerle, yani silikon ve kristal kullanan güneş hücreleriyle rekabet etmesi gerekiyor.

İlgili yazı: Bill Gates’e göre dünyayı kurtaracak üç temiz enerji teknolojisi

 

Perovskit zamanı

Hayır, bu Taht Oyunları’ndaki yeni kahramanın adı değil. Perovskit, halojen bazlı organik ve inorganik malzemelerden üretilen hibrit fotovoltaik materyallere verilen ad. Kısacası yarı organik güneş panellerinin teknik adı. Perovskit güneş panelleri, silikon güneş panelleri kadar iyi elektrik üretiyor.

Güney Koreli bilim insanları perovskit güneş paneli çözümlerini klima özellikli yarı saydam güneş panellerine dönüştüren bir teknoloji geliştirdiler. Bunun için de saydam elektrotlardan (TTE) yararlandılar.

Elektrotlar güneş panellerinde üretilen elektriği çekiyor ve şebekeye aktarıyor. Bütün güneş panelleri elektrotlarla kaplı olduğu için saydam güneş paneli üretmek isteyenlerin önce şeffaf elektrot kullanması gerekiyor.

İlgili yazı: Paris’te Küresel Isınma Duracak Yalanı >> 2045’te Dünya sıcaklığı 2 derece artacak

 

Nasıl çalışıyor?

Klima özellikli yeni güneş paneli gofret gibi kat kat malzemelerden üretiliyor. 1) Üstte ışığı kıran ve panelin içindeki güneş hücrelerine yansımasını sağlayan yüksek kırılımlı bir katman var. 2) Bunun altında elektrik üretiminde kullanılan metal film ve hemen altında tampon katman yer alıyor.

Bu tampon bölge güneş panelindeki aktif katmanların panelin oturduğu çerçeveye temas ederek kısa devre yapmasını önlüyor. Saydam TTE elektrotları ise güneş panelinin en üstüne yerleştiriliyor. Böylece kaplama sırasında panelin içindeki hassas katmanlar zarar görmüyor.

İlgili yazı: Küresel ısınma Dünya’nın eksenini kaydırdı

 

Evleri ve arabaları soğutacak

Eski model saydam elektrotlar sadece görünür ışığı geçirirken, yeni saydam elektrotlar hem güneş paneli için ışığı geçiriyor hem de ısıyı, yani kızılötesi ışınları havaya yansıtıyor. Böylece ev ve ofislerimiz ısınmadan aydınlanıyor.

Evet, aktif bir soğutma sistemi değil ama en iyi soğutma yöntemi öncelikle evin ısınmasını önlemektir. Yeni güneş paneli şimdilik ışığın sadece yüzde 13,3’ünü elektriğe çeviriyor; fakat standart güneş paneli verimliliği de yüzde 15 arasında 25 olduğundan birkaç yılda konutlara uygun modeller üretilebilir.

Ayrıca yeni güneş paneli ısının yüzde 85,5’ini havaya yansıtıyor ve bu da evde klimayı sadece havalandırma amacıyla düşük güçle çalıştırarak bahar havası gibi serin oturmanız demek. Yaz sıcağında metrobüs klimalarının sıklıkla yetersiz kaldığını hatırlarsak bu tür güneş panellerinin yararını anlıyoruz.

İlgili yazı: Güneş Yaşlanıyor: Güneş Lekeleri Kayboluyor

 

Elektrikli otolar için

Elon Musk’ın Tesla şirketinin elektrikli otobüs, kamyon ve kamyonet üretmeyi planladığını hatırlatalım. Bu teknolojisi dünyanın güneş paneliyle çalışan ilk yarış arabası olan Immortus’un seri üretime geçmesini de kolaylaştıracaktır.

Kısacası elektrik otoları hep fişe takarak şarj etmemiz gerekmez ve böylece elektrik tüketimiyle buna bağlı küresel ısınmayı azaltmış oluruz. Saydam elektrotların teknik sırrına gelince: Üstte çinko sülfür (ZnS) ve altta tampon bölge olarak iş gören molibden trioksit (MoO3) var. İkisinin arasında ise ince bir gümüş film yer alıyor.

İlgili yazı: Akıllı Dövme >> Güneşte kalınca renk değiştirip uyaran elektronik UV çıkartmalar geliyor

 

Termal aynalar

Yeni güneş paneli ısıyı havaya yansıttığı için aynı zamanda termal ayna olarak adlandırılıyor. Sonuçta üç katmanlı saydam elektrot tasarımı, üç katmanın da ışığı aynı şekilde kırmasını (geliş açısını değiştirmesini) sağlıyor.

Işık cam gibi yarı katı maddelerin içinden geçerken zaten kırılıyor (prizma etkisi) ve tüm katmanlarda aynı şekilde kırılmasını sağlamak güneş panelinin ışık alma oranını ve dolayısıyla elektrik üretimini artırıyor.

Aslında bu otomobil camlarında kullanılan antirefle teknolojisinin bir benzeri. Tek fark otomobil camlarında sadece metalik bir katman kullanılması.

İlgili yazı: Tesla S Suda gidiyor

 

Saydam güneş paneli zor iş

Normalde gümüşten üretilen bir metalik filmin saydam olmasını istiyorsanız sadece 7 ila 12 nanometre kalınlığında; yani süper ince olmasına dikkat edersiniz. Böylece ışığı geçirip elektrik üretimini artırır. Ancak hem ışığı geçirmek hem de ısıyı yansıtmak zor.

Güney Koreli bilim insanları bunun için geleneksel filmlerden 3 kat kalın olan (12-24 nanometre) bir saydam elektrot katmanı kullandılar. Böylece kalın gümüş filmle termal ayna özelliği yaratıp ısıyı havaya yansıtmayı başardılar. Çinko sülfür katmanın yüksek kırılım endeksi, yarı saydam güneş panelinin ışığı iyi geçirmesini sağladı.

İlgili yazı: Ahtapot DNA’sı Uzaylı mı?

 

10 derece soğutuyor

Araştırmacılar güneş paneli prototipini termal kamera ile inceledikleri zaman, panelin güneş gören dış yüzünün sıcaklığının 36,8 dereceye ulaştığını gördüler; ama camın iç kısmı, yani odadan bakarken elinizi koyacağınız tarafı sadece 27 dereceydi.

Bu da bir evin Temmuz sıcağında Mayıs sonu kadar ısınması demek. Ancak, ısıyı havaya yansıtarak evimizi serin tutmak küresel ısınmayı önlemez. Az elektrik tüketerek küresel ısınmayı biraz azaltan bu bu tür termal aynalı güneş paneli çözümleri aslında standart bir klima gibi çalışıyor: Evin içini soğuturken dışarıyı ısıtıyor.

İlgili yazı: Dünyanın 1000 çekirdekli ilk işlemcisi KiloCore çip

 

Stanford Üniversitesi yardıma yetişti

Peki ısıyı doğrudan uzaya yansıtarak Dünya’nın ısınmasını gerçekten yavaşlatan, hatta önleyen bir teknolojiye ne dersiniz? Stanford Üniversitesi işte böyle bir teknoloji geliştirdi.

Stanford Üniversitesi’nde geliştirilen yeni güneş panelleri, evleri ve fabrikaları klimaya gerek olmadan soğutuyor. Doğada tavus kuşu tüylerinde bulunan “fotonik kristallerden” üretilen yeni paneller, odamızdaki ısıyı “termal radyasyon” yoluyla doğrudan uzaya veriyor.

Fotonik kristaller son zamanlarda Harry Potter’daki görünmezlik pelerininin sınırlı taklitlerini ve askeri amaçlı aktif kamuflaj sistemlerini geliştirmekte kullanılıyordu. Artık bu tür meta materyallerden üretilen soğutma panelleri ile binaların çatısını kaplayabilir ve bunları elektriksiz doğal klima olarak kullanabiliriz.

İlgili yazı: Microsoft Linkedin’i 26,2 Milyar Dolara Satın Alacak >> Peki neden Linkedin?

 

Alttan ısıtmalı dünya

Belgesellerde gördünüz mü? Güney kutbundaki buzullarla kaplı Antarktika kıtasını araştıran bilim insanları, öğle güneşinde bile soğuktan üşüdükleri için kalın palto giyerler. Bunun sebebi, kıtayı örten beyaz kar tabakasının güneşten gelen ışık ve ısıyı atmosferi ısıtmadan doğrudan uzaya geri yansıtması.

Yeryüzünün 25 bin ila 100 bin yıllık evreler halinde buzul devrine girmesinin nedeni de bu. Örneğin 2017 kışında çok fazla kar yağarsa ertesi yıl karlar tümüyle erimeden yeni yağışlar gelecek ve bazı bölgeler kalıcı bir buz örtüsüyle kaplanacak.

Her yıl biriken karlarla büyüyen buz katmanlarının ısıyı uzaya yansıtması nedeniyle Dünya sadece 100 yıl içinde soğuyarak yeni bir buzul devrine girecek; çünkü atmosferimiz alttan ısıtmalı!

İlgili yazı: Asteroitten Uzay Gemisi Olur mu?

 

Siz de biliyorsunuz

İstanbul’da Temmuz sıcağında Taksim Meydanı’na çıkarsanız rutubetin etkisiyle şakır şakır terlemeye başlarsınız. Sizi terleten öğle güneşi değil. Sıcaktan bunalmanızın asıl sebebi, güneş ışınlarının ayağınızın altındaki asfalttan yansıyarak vücudunuzu hafif ateşte pişirmesi.

Yalnız Taksim’in Antarktika’dan bir farkı var: Antarktika’da buzullar güneşin ısısını uzaya yansıtıyor. Dolayısıyla Antarktika’da güneşli bir günde geziye çıksak bile üşüyoruz. Taksim’deki asfalt yollar ise ısıyı uzaya değil, doğrudan atmosfere yansıtıyor.

İlgili yazı: Ay Nasıl Oluştu? >> Ayın karanlık yüzü ve uydumuz hakkında şaşırtıcı gerçekler

 

Küresel ısınma çok tehlikeli

Betonun havayı ısıtmasının nedeni rutubet, yani atmosferdeki su buharı. Isıyı atmosferde tutan ve uzaya kaçmasını önleyen su buharı, aslında karbondioksitten çok daha etkili bir sera gazı.

Bugün küresel ısınmayı önlemek için bütün fabrikaları kapatsak ve atmosfere karbondioksit salmayı durdursak bile havadaki mevcut karbondioksit gazı ve buna ek olarak su buharı, gezegenimizin 50 yıl boyunca ısınmaya devam etmesini sağlardı.

İlgili yazı: İlk Temas >> Uzaylılar dünyayı ziyaret eder veya sinyal gönderirse nasıl anlaşacaksınız?

 

Neden antirefle güneş paneli?

Küresel ısınmayı durdurmazsak bu durum okyanus tabanındaki kaya katmanlarına sıkışmış olan karbondioksitin suyun ısınmasıyla birlikte deniz yüzeyinde kabarcıklar halinde buharlaşarak atmosfere karışmasına ve Yeryüzünün hayata düşman bir düdüklü tencere dünyasına dönüşmesine yol açacak.

Zaten Güneş Sistemi’nde böyle bir gezegen var: Adı Venüs ve yüzey sıcaklığı yaklaşık 450 derece, yüzey basıncı ise 90 atmosfer ki bu da 2 kilometre derinlikte yatan Titanic’in demir enkazını ezen basınca dek.

Tabii mesele bu kadar basit değil; çünkü Dünya atmosferi zaten su buharıyla ısınmış durumda. Şimdi buna biraz daha baca dumanı ve egzoz gazı eklersek karbondioksit bardağı taşıran son damla olur ve Venüs’e dönüşme süreci hızlanır.

İlgili yazı: Robot ressamlar geliyor ve video oyunu tasarlıyor

 

Küresel ısınmayı önlemenin kesin yolu

Stanford Üniversitesi’nde geliştirilen antirefle güneş paneli elektrik üretmiyor; ama bir otomobilin motor ısısını doğrudan uzaya yansıtıyor. Bunu en iyi Shanhui Fan açıklıyor: “Işığın büyük kısmını uzaya yansıtan bir yapı malzemesi geliştirdik. Böylece binaları gündüz gözü soğutuyoruz.”

Shanhui’in söylediklerini test etmek için bu kez Everest’e tırmanan bir dağcı olduğumuzu düşünelim. İstanbul deniz seviyesinde sıcak; fakat Everest Dağının zirvesine ulaştığımızda durum değişiyor. Yeryüzünde 36 derece sıcakta terden sırılsıklam olabiliriz ama 8 bin metredeki kuru hava buz gibi.

 

Antirefle güneş paneli nasıl çalışıyor?

Stanford Üniversitesi bunun için ışığı garip açılarda büten fotonik kristaller kullandı ve bunu yaparken aslında doğayı taklit etti.

Örneğin, erkek tavus kuşunun tüylerindeki kahverengi tonların kaynağı renk pigmentleri değil, ışığı ters açılarda büken fotonik kristaller. Bunlar tüyleri ve Morfo kelebeklerinin kanatlarını toz gibi kaplıyor. Böylece biz de kelebeklerin muhteşem renklerine hayran kalıyoruz.

Antirefle güneş paneli de ısıyı oluşturan kızılötesi ışınları garip açılarda bükerek frekanslarını değiştiriyor ve atmosferdeki bulutlardan dünyaya geri yanşamak yerine, doğrudan uzaya kaçmasını sağlıyor.

Kalorifer yanmayan kış aylarında yorgana sarındığınız halde vücut ısısının dışarı kaçtığını ve üşüdüğünüzü düşünün. Antirefle güneş paneli buna benzer şekilde çalışıyor.

İlgili yazı: Robot bilim insanı atomları lazerle kontrol etti

 

Neden fotonik kristaller?

Fotonik kristaller bu dalgaları bükme özelliğine sahip. Işığı bükersek görünmez oluruz, ısıyı bükersek odamızı klima kullanmadan soğutabiliriz ama bunun bir hilesi var:

Öncelikle soğutma panelimizi oluşturan fotonik kristal katmanının, yani reflektörün güneş ısısını en yüksek oranda yansıtması gerekiyor.

Günümüzde piyasada bulabileceğiniz reflektörler düşük kaliteli olduğu için ışığı yansıtmakla birlikte ısıyı içeri alıyor. İşte bu nedenle arabanızın camı parlak ışığı kesebilir, ama yaz vakti arabada unuttuğunuz kedinin sıcaktan bunalmasını pek engelleyemez.

 

Saydam atmosfer

Bulutlar dünyamızın yorganı ve ısının uzaya kaçmasını önlüyor. Bu yüzden bulutlu yaz havasında ve hatta kış havasında ışık azalsa da sıcaklık artıyor. Ancak, bulutlar su buharından oluşuyor ve su buharının tıpkı cam gibi ışığı kırma özelliği var.

Antirefle güneş paneli üzerinde bulunan fotonik kristaller kızılötesi ışınları özel bir frekansla havaya yansıtıyor. Öyle ki bulutlar bu frekanstaki radyasyona karşı saydamlaşıyor ve ısı bulutlardan yansımadan uzaya kaçıyor.

Shanhui Fan ve ekibi yeni panel için nanometre boyunda, yani metrenin milyarda biri ölçeğinde “nanofotonik” kristaller kullandı. Bu materyali kuvars ve silikon karbit gibi ışığı yüksek oranda yansıtan malzemelerden ürettiler.

İlgili yazı: Fotoğrafı Tabloya Çeviren Uygulama Prisma

Metrekarede 100 Watt soğutma

Fotonik kristallerden üretilen güneş paneli 2014 yılında metrekarede 100 Wattlık bir soğutma gücü sağlıyor ve aynı zamanda güneş ışığının yüzde 10’unu elektriğe çeviriyordu. Ancak elektrik üretimini artıran yeni teknolojiler hızla geliştiriliyor.

Örneğin kömür ve doğal gaz yakan termik santraller ile su havzalarına zarar veren hidroelektrik barajlar kullanmak yerine, şehirlerarası otoyolları antirefle güneş panelleriyle kaplayarak bütün Dünya’yı soğutabiliriz.

Hatta bunun için çevreyi soğuturken bizim için elektrik üreten ağaç yapraklarını, yapay yaprakları ve elektrik ileten biyonik bitkileri de kullanabiliriz. O zaman küresel ısınmaya yol açan fabrikalarda güneş paneli üretmeye de gerek kalmaz.

Kısacası Stanford’un antirefle güneş paneli yüksek oranda elektrik üreten Güney Korelilerin termal güneş paneli ile birleşirse bir yandan temiz enerji üretir, diğer yandan da küresel ısınmayı gerçekten durdurmuş oluruz.

¹Hoyeon Kim et al. Empowering Semi-Transparent Solar Cells with Thermal-Mirror Functionality, Advanced Energy Materials (2016). DOI: 10.1002/aenm.201502466
²Light management for photovoltaics using high-index nanostructures. DOI:10.1038/nmat3921