Sijoittelussa kannattaa ottaa oppia päivänkakkaralta, ja mustikka sopii elektronin luovuttajaksi.

Sijoittelussa kannattaa ottaa oppia päivänkakkaralta, ja mustikka sopii elektronin luovuttajaksi.

Julkaistu Tiwede-lehdessä 2/2013

Teksti: Petri Forsell

Aurinkokennojen sijoitte­lussa insinööreillä on paljon oppimista. Säntillisen suorat kennorivit voivat miellyttää silmää, mutta parhaita valosieppareita ne eivät ole. Kun aurinko vaihtaa paikkaansa, säteily saapuu väärästä kulmasta tai ei lainkaan osu  keräimiin.

Jos tahtoo pyydystää paljon auringonvaloa, on viisainta ottaa mallia kokeneemmilta.  Kennojen kehittäjät ovatkin kääntäneet katseensa kasveihin ja hoksanneet, että kennoista kannattaa rakentaa pystypäin seisovia torneja tai köynnöksiä, jotka kurottavat moneen suuntaan.

Rivistöä tehokkaammin valoa kerää myös mykerösommitelma, joka koristaa esimerkiksi päivänkakkaran keskustaa. Tutkimuksissa mykeröt, joissa kennot sijaitsevat 137 asteen kulmassa toisiinsa nähden, ovat keränneet auringonsäteilyä vähintään viidenneksen enemmän kuin suorakaiteeksi levityt kennot.

Luontoa jäljittelevät kolmiulotteiset rakenteet sopivat erityisen hyvin Suomen kaltaisiin maihin, joissa aurinko paistaa usein matalalta. Lisäksi ne vievät yleensä vähemmän tilaa kuin lappeelleen asetellut kennostot.

Piin sijaan mustikkaa

Parhaat piikennot muuttavat sähköksi 35 prosenttia auringonsäteilystä. Kasvit yhteyttävät vain noin prosentin teholla, mutta silti fotosynteesiä kannattaa jäljitellä. Tämän on todistanut sveitsiläinen kemian­tekniikan professori Michael Grätzel, joka 2010 sai oivalluksistaan suomalaisen Millennium-teknologiapalkinnon.

Grätzelin nimeä kantavassa uuden polven aurinkokennossa elektroneja ei luovuta perinteiseen tapaan pii vaan metallin, lasin tai muovin pintaan sipaistu orgaaninen väriaine, joksi käy vaikka mustikkamehu. Kenno häviää tehossa piikennolle, mutta on rakenteeltaan sitä joustavampi ja monikäyttöisempi.

Uutta ja vanhaa tekniikkaa voi myös yhdistää. Tutkimusten mukaan piikennon päälle lisätty väriainekerros parantaa sähköntuottoa huomattavasti. Valmistusteknisesti muutos on pieni, joten tällaisia yhdistelmäkennoja saattaa olla kaupoissa jo parin vuoden sisällä.

Bakteerit tehopakkauksia

Luonnon jäljittelyssä ei ainoastaan suuri ole valttia, vaan oppia voi ottaa myös mikromaailmasta. Yhteyttävissä bakteereissa auringonvaloa imevät klorosomit,  valonkeräysantennit, joita on soluseinämän sisäpinnassa niin äärimmäisen ti­heässä, ettei yksikään tietokone pysty mallintamaan rakennetta sekoa­matta.

Äärimmäinen on myös klorosomien kyky siepata valoa ja siirtää sitä fotosynteesin reaktiokeskukseen: säteilyenergiasta jää talteen peräti 98 prosenttia.

Jos insinöörit oppisivat jäljittelemään klorosomien toimintaa, aurinkokennot tuottaisivat virtaa vähästäkin valosta. Aurinkosähkön ongelmahan nykyisin on, ettei sitä synny silloin, kun sitä eniten tarvittaisiin eli aamu- ja iltahämärissä.

Virus parantaa nanoa

Kilpailussa paremmista aurinkokennoista solutkin ovat kuin pelaisi tennistä rantapallolla. Ne ovat välineiksi liian suuria. Jos tekniikka saadaan kutistetuksi nanoputkien kokoon, kalliin piin voi korvata huokeammilla hiilellä ja titaanioksidilla.

Tekniikassa on kuitenkin ongelmansa, koska osa nanoputkista toimii puolijohteina ja osa johtimina, mikä aiheuttaa oikosulkuja. Lisäksi nanoputkilla on taipumus takertua toisiinsa tehottomiksi kimpuiksi. Tässä apuun tulevat virukset, jotka on muokattu pitämään nanoputket erillään niin, ettei kimppuja ja oikosulkuja synny. Virusohjauksella luotu nano sopii myös perinteisen piikennon lisävarusteeksi. Piin pintaan lisätty nanoputkimatto nostaa kennon tehoa jopa kolmanneksen.

Infrapuna kiipeliin

Likipitäen puolet auringon säteilystä on aallonpituudeltaan infrapunan alueella tai lähellä sitä. Nykyiset piikennot eivät pysty muuttamaan näitä valon pitkiä aallonpituuksia sähkövirraksi. Infrapunasäteilystä saadaan merkittäviä määriä sähköä vain erityislaitteilla, jotka kehittävät kovan kuumuuden ja paineen eivätkä siksi sovi arkikäyttöön.

Kvanttipiste, eräänlainen keinotekoinen atomi, voi muuttaa tilanteen, sillä se pystyy käyttämään hyväkseen valon koko kirjon ja muuttamaan sähköksi myös ihmissilmin näkymättömän säteilyn.

Kvanttipisteet voi levittää ikkunalasiin läpinäkyväksi kalvoksi tai niistä voi sekoittaa maalin kaltaisen massan, jota sivellään talon seiniin ja kattoon. Näin koko rakennus tuottaa sähköä – jopa yöllä, sillä infrapunasäteily ei lopu auringon laskiessa.

Geenitekniikalla piikasveja

Aurinkosähkön tulevaisuutta saattavat kirkastaa myös biotieteet. Yhdysvaltalainen fyysikko ja futuristi Freeman Dyson on jo esittänyt aurinkoenergian talteenottoa muuntogeenisten kasvien avulla.

Jos kasvissa olisi hiilen tilalla piitä, se yhteyttäisi jopa 20 kertaa nykyistä tehokkaammin. Tällaisen tekniikan ongelmat ovat kuitenkin isoja ja venyttävät tieteen rajoja. Dyson itsekin kysyy, onko hyväksyttävää luoda aivan uudenlaisia eliöitä vain energian tuottamiseksi.

Petri Forsell on vapaa tiedetoimittaja ja Tiede -lehden vakituinen avustaja.