Bude pozlacený igelit vyrábět energii?

Nanoantény absorbují energii infračerveného záření Fotovoltaické panely přeměňují sluneční záření na elektrický proud a v budoucnu by se mohly stát významným zdrojem energie. Ze všech slunečních paprsků, které k nám naše hvězda posílá, si panely ovšem vybírají jen úzkou část, viditelné a částečně i ultrafialové záření. Všechny ostatní části spektra zůstávají nevyužity a přitom nesou takové množství energie! Kupříkladu infračervené záření. Dopadá k nám nejen ve slunečních paprscích, ale vyzařují ho i všechny živé bytosti, pracující stroje a dokonce i zahřátá zem.

Sluneční anténa
Běžné fotovoltaické panely pracují na následujícím principu: (viz všechny články Třípólu, kde jsme o fotovoltaice psali). Letící foton dopadne na materiál panelu, předá svou energii nejbližšímu elektronu a ten se uvolní ze své pozice a dá se do pohybu. Leckdy vyvolá celou lavinu elektronů a pokud na panel dopadá dostatek fotonů, máme ve výsledku elektrický proud. Tento efekt ovšem nemůže vyvolat lecjaký foton. V případě infračerveného záření nemá dostatek energie, aby elektron z atomové mřížky uvolnil. Zvládne nanejvýš volný elektron rozkmitat. Když vezmeme vhodný vodič a ozáříme ho, získáme střídavý proud oscilující ve stejné frekvenci, s jakou se povedlo rozkmitat elektrony v materiálu. Na tomto principu pracuje obyčejná televizní anténa.

Miliony zlatých spirálek
Anténa sbírající energii infračerveného záření má jeden drobný, ale podstatný háček. Velikost antény je úměrná délce vlnění, které zachytává. Pro příjem televizního signálu to bude anténa velká několik desítek centimetrů, ale s infračerveným zářením si dokáží poradit jen objekty mnohem menší. Jedná se o velikosti nanometrů, tedy miliardtiny metru.

Současné technologie zvládají výrobu miniaturních čipů, výroba nanoantény by tedy neměla být problém. Výzkumníci z Národní laboratoře v Idahu (Idaho National Laboratory – INL) se tento problém pokusili vyřešit. Optimální tvar antén nasimulovali v počítači a dostali útvary, které dokázaly absorbovat až 92 procent infračerveného záření. Tyto anténky měly podobu miniaturních zlatých spirálek nebo čtverečků.

Potištěná igelitka – naděje budoucnosti?
Vědci se zaměřili na zpracovávání záření zvaného midIR, což je v podstatě prostřední úsek infračerveného spektra s frekvencemi pohybujícími se od 30 do 120 THz. Tato oblast je pro budoucí infračervené panely nejvýhodnější, protože právě v této oblasti vyzařuje v noci Země teplo, které nashromáždila ze Slunce přes den. Anténky by tak mohly dodávat proud i v noci, i když by ho bylo podstatně méně než ve dne.

Nanoantény vyrobili obdobnou metodou, jakou se ve velkém vyrábějí čipy. Vytvořili raznici, kterou nanoantény natiskli jako velikým razítkem. Tato raznice o průměru šesti palců (zhruba 15 cm) vyrobí najednou více než 10 miliónů antének. Za podklad posloužil polyetylen, čili v podstatě obyčejná nákupní taška. Výsledné zařízení je tak krásně tvarovatelné a jde jím obalit či potisknout prakticky cokoliv.

Drahá černá barva
Soustava zlatých nanoantének na igelitové tašce dosáhla osmdesátiprocentní absorpce infračerveného záření. Uvážíme-li, že běžné fotovoltaické panely dosahují většinou méně jak dvacetiprocentní účinnosti, je to jistě ohromující úspěch. Jenže pozor! Fotovoltaické panely vyrábějí elektrický proud – a kde je něco takového z pozlacené tašky? Zatím máme pouze povrch, který dokáže dobře pohlcovat infračervené záření. To dokáže ovšem načerno natřená deska také. Pokud výzkumníci nechtěli jen vytvořit velmi drahou barvu, musí vyřešit otázku, jak z nanoantén získat elektrický proud v rozumně využitelné podobě.

Neexistující nanousměrňovače
Elektrický proud už samozřejmě ve zlatém materiálu je. Každá anténka je zdrojem střídavého proudu o terahertzové frekvenci (mění svůj směr biliónkrát za sekundu), která je pro běžné použití naprosto nevhodná. Je možno buď tento proud usměrnit, nebo vytvořit obvod, který by jeho frekvenci změnil na přijatelných 50Hz a umožnil napojení na elektrickou rozvodnou síť. Usměrnění by vyžadovalo tvorbu zcela nových nanousměrňovačů. Teprve na jejich účinnosti bude záležet, jak dokonalý bude celý panel. Dokud se nepodaří vyvinout vhodné usměrňovače (či obvody upravující frekvenci) budou zlaté nanoantény jen zajímavou hříčkou a o zpracovávání nočního vyzařování Země si budeme moci jenom nechat zdát.