Ученые из Цюрихского университета создали устройство, которое, уловив солнечные лучи, способно разогреть объект до 1000 °С. А это, между прочим, достаточная температура, чтобы работала сталеплавильная печь. Исследование опубликовано в журнале Device 15 мая 2024 года.

Освобождение от углерода

Новое открытие демонстрирует, что солнечная энергия вполне способна стать альтернативой ископаемому топливу даже в таких высокотемпературных процессах, как выплавка стали.

Стекло, сталь, цемент и керамика — это главные компоненты современной цивилизации. Из них делают буквально всё — от автомобильных двигателей до небоскребов. Но чтобы получить эти материалы, требуются температуры выше 1000 °C. Подсчитано: на сферы производства данных материалов уходит примерно 25% всей произведенной энергии в мире.

В данный момент использование солнечной энергии для достижения таких температур — очень дорогостоящий и малоэффективный процесс. Поэтому в производственных печах используют традиционные углеводороды: нефть, уголь и газ.

Чтобы бороться с глобальным потеплением, нам просто необходимо сделать энергию свободной от углерода. Многие думают, что энергия — это исключительно электричество. Это не так, потому что примерно половина всей энергии на планете используется в виде тепла, — Эмилиано Казати, департамент машиностроения и технологических процессов, Цюрихский университет.

Пару лет назад объединенная команда исследователей из Греции и Германии попытались создать тепловую систему из зеркал, концентрирующих солнечный свет. Надо сказать, получить температуру выше 170 °С у международного коллектива не вышло, как они не старались.

Как поймать солнечный свет?

Поэтому Казати и его помощники решили использовать совершенно другой метод, так называемую «тепловую ловушку». Принцип ее работы характеризуется тем, что в ловушке используются полупрозрачные материалы, обладающие способностью поглощать свет в больших количествах. Затем происходит повторное выделение энергии, только уже в виде тепла.

Исследователи направили поступающее солнечное излучение на синтетический кварцевый стержень, который улавливал тепло. Затем они прикрепили его к непрозрачной кремниевой чашке, которая поглощала тепло от кристалла. Когда падающий свет сиял с интенсивностью 135 солнц, поглощающая пластина нагрелась до 1050 °С, в то время как кварцевый стержень был относительно холодным — «всего» 600 °С.

Казати и его команда были не первыми, кто задействовал тепловую ловушку для получения высоких температур, но ученые из Цюриха догадались использовать синтетический кварц для улавливания солнечной энергии.

В следующих работах исследователи планируют протестировать различные материалы, включая жидкости и газ, которые могут действовать как тепловые ловушки. Ученые рассчитывают на достижение более высоких температур.

В дальнейшем Казати с помощниками хочет найти варианты использования данной технологии в промышленных масштабах и ее внедрения в различные отрасли.

Солнечная энергия доступна практически везде. Наша технология уже отработана. Осталось найти ей широкое применение, чтобы минимизировать использование углерода, — Эмилиано Казати.

Три неожиданных примера использования солнечной энергии

1. Сейчас в некоторых странах стали строить солнечные дороги и тротуары. Специальные панели монтируют прямо в дорожное полотно. Панели способны генерировать энергию для освещения улиц, зарядки электромобилей и питания других городских инфраструктур.

Кроме того, такие дороги имеют весьма полезный бонус — подогрев. Следовательно, зимой им не требуется соль и химикаты для борьбы со льдом и снегом. В среднем, каждый квадратный метр солнечной дороги способен генерировать до 520 кВт/ч электроэнергии в год.

2. Плавучие фотоэлектрические установки не только освобождают наземные площади, но также помогают снизить испарение воды и максимально эффективно регулировать температуры в водоемах, где они установлены.

К примеру, в 2015 году в Японии была установлена крупнейшая на тот момент плавучая солнечная ферма на водоеме Ямакура, которая способна генерировать 13,7 МВт электроэнергии. Этого количества электричества хватит примерно на город с 40–50-тысячным населением.

3. Солнечные сушилки для сельскохозяйственной продукции — это один из самых новаторских способов производства. Данное оборудование позволяет сушить фрукты, овощи, зерно и прочие продукты в отдаленных районах, вообще не используя электроэнергию.

Так в 2019 году в Индии заработала солнечная сушилка SolarFlex, созданная компанией Midnight Sun Energy. Ее возможности таковы, что она способна уменьшить время сушки продуктов с нескольких недель до нескольких дней. При этом потери продовольствия снижаются на 30–40%.