Energiankäyttö tehostuu, kun nano tekee aurinkopaneeleista halvempia, akuista tiheämpiä ja valaisimista kylmempiä.

Teksti: Marko HamiloEnergiankäyttö tehostuu, kun nano tekee aurinkopaneeleista halvempia, akuista tiheämpiä ja valaisimista kylmempiä.

Julkaistu Tiede -lehdessä 11/2010

Auringonvalosta on perinteisesti voinut tehdä sähköä joko tehokkaasti tai halvalla. Aurinkopaneelit, jotka muuttavat neliömetrille tulevaa auringonvaloa sähköksi hyvällä hyötysuhteella, ovat kalliita. Uudet, halpoihin valmistustekniikoihin perustuvat kennot taas saavat auringon energiasta hyödynnettyä yleensä vain alle kymmenen prosenttia.Nanotekniikan avulla on mahdollista valmistaa aurinkokennoja, joissa tehokkuus yhdistyy edullisiin valmistuskustannuksiin, sanoo Yhdysvaltain uusiutuvan energian laboratorion (NREL) tutkija Arthur Nozik. Hän puhui aiheesta alkuvuodesta Yhdysvaltain tiedeviikolla San Diegossa.Nozik pyrkii siihen, että kolmannen sukupolven aurinkokennoilla voisi tuottaa jo vuonna 2015 sähköä viidellä sentillä kilowattitunti. Aurinkosähkö alkaisi silloin kilpailla fossiilisten energialähteiden kanssa.Nozikin mukaan yksi tällainen kolmannen sukupolven ratkaisu olisivat nanokiteet eli niin sanotut kvanttipisteet. Niiden avulla yhdestä fotonista voidaan saada kaksi elektronia, kun nykyään saadaan vain yksi elektroni fotonia kohti. Tällaiset aurinkokennot hyödyntävät laajemman spektrin auringonvalosta kuin perinteiset aurinkopaneelit. Lisäksi nanokiteitä on helppo valmistaa.Toistaiseksi nanokidekennojen teho on aivan liian pieni, mutta parhaimmillaan hyötysuhde – eli kuinka paljon auringonvalosta olisi parhaimmillaan muutettavissa sähköksi – voisi nanokiteillä nousta jopa 65 prosenttiin, Nozik väittää. Parhailla piipaneeleilla hyötysuhde on vain 33 prosenttia.Nanokidekennot voi myös valmistaa joustaviksi. Paneeleja voi kääriä rullalle, jolla voi vaikka päällystää telttakankaan tai rinkan.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Akku vetää kymmenkertaisesti

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Nanoteknologialla tulee olemaan suuri merkitys paitsi sähkön tuotannossa myös sen varastoinnissa ja käytössä. Yhdysvaltain tiedeviikolla puhuneen Stanfordin yliopiston energiatutkijan Yi Cuin mukaan nanolanka-akut voivat parhaimmillaan mullistaa sähkön varastoimisen.Stanfordin yliopistossa Kaliforniassa kehitetty, nanokokoisiin piilankoihin perustuva uudenlainen akku kykenee varastoimaan jopa kymmenkertaisen määrän energiaa verrattuna samankokoiseen tavalliseen litiumakkuun. Ja modernit litiumakutkin varastoivat sähköä sentään nelisen kertaa enemmän kuin autojen lyijyakut.Litiumioniakkuun mahtuu enemmän litiumia ja sen ansiosta enemmän energiaa, jos anodi valmistetaan piistä eikä hiilestä kuten yleensä on tapana. Tämä tapahtuu kuitenkin kestävyyden kustannuksella. Pii paisuu, kun se sitoo litiumioneja. Kun se luovuttaa ioneja, se kutistuu. Anodin rakenne ei kestä tällaista vaihtelua pitkään.Stanfordin yliopiston tutkijat kiersivät ongelman valmistamalla anodin ruostumattomasta teräksestä, jonka päälle he kasvattivat piistä nanokokoisia lankoja. Ne pysyivät koossa lukuisien kutistumis- ja paisumisvaiheiden ajan. Paitsi että akusta saatiin näin pienempi ja kevyempi, tekniikka mahdollistaa akun nopean latauksen ja purkamisen.Kymmenkertainen energiatiheys onnistui vain ensimmäisellä latauksella. Sen jälkeen akkuun mahtui varausta kahdeksankertaisesti tavalliseen litiumakkuun verrattuna. Tämä parannus perustui pelkästään akun anodin kehittämiseen. Cuin mukaan katodia parantamalla energiatiheys voisi kasvaa entisestään.Nanolanka-akkujen kaupallistuminen kestää muutamia vuosia. Cui uskoo, että ladattua wattituntia kohden nanolanka-akut maksaisivat saman verran kuin perinteiset litium­ioniakut.Kymmenkertainen energiatiheys mahdollistaisi esimerkiksi kannettavat tietokoneet, joita voisi käyttää päivätolkulla lataamatta. Lähemmäksi todellisuutta tulisi myös haave sähköautosta, jota voisi ajaa lataamatta yhtä pitkiä matkoja kuin bensa-autoja tankkaamatta.

Spottivalaisusta muotia

Nykyään 75–95 prosenttia valaistukseen käytetystä sähköstä menee hukkaan lämpönä, joka kuumissa maissa pitää vielä jäähdyttää energiaa kuluttavilla laitteilla. Euroopassa on haluttu edistää viileämpien energiansäästölamppujen yleistymistä kieltämällä hehkulamppujen myynti. Kestävä ratkaisu löytyy kuitenkin erilaisista led-valaisimista, uskoo tiedeviikolla puhunut nanotutkija Julia Phillips Sandian laboratorioista.Yhdysvalloissa valaistus syö 22 prosenttia koko maan sähkönkulutuksesta, Phillips muistutti. Nanoteknologia voi auttaa valmistamaan piipohjaisten ja orgaanisten ledien ohella aivan uudenlaisia ratkaisuja kotien ja toimistojen valaisemiseen. Tällaisia voivat olla esimerkiksi valaisevat nanolangat tai nano­kiteet.Phillipsin mukaan ledit ja aivan uudet nanovalaisimet korvaavat nykyiset valaistusratkaisut parissakymmenessä vuodessa ja vähintään puolittavat valaistuksen sähkönkulutuksen.Nyt monet kodinsisustajat vielä yrittävät imitoida energiansäästölampuillakin perinteisen hehkulampun lämmintä ja yleensä melko kohdentamatonta valoa. Phillips uskoo, että led-valaistuksen vallankumous ei jää vain energiansäästöön. Kotien ja muiden sisätilojen valaisemiseen liittyvät esteettiset käsitykset saattavat muuttua myös. Pieniä led-valaisimia voi helposti sijoittaa huoneessa minne vain, ja niillä voi valaista juuri halutun kohteen.– Suhteemme valaistukseen muuttuu, kun spottiledit yleistyvät, Phillips väittää.

Marko Hamilo on vapaa tiedetoimittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Sisältö jatkuu mainoksen alla