המרכיב העיקרי של המלכודת התרמית הוא גליל עשוי קוורץ. בניסויים הוא הגיע לטמפרטורה של 1050 מעלות צלזיוס וזוהר בחום זה. קרדיט: ETH ציריך / אמיליאנו קאסטי
חוקרים שוויצרים פיתחו שיטת אנרגיה סולארית באמצעות קוורץ סינתטי כדי להשיג טמפרטורות מעל 1,000 מעלות צלזיוס לתהליכים תעשייתיים, שעלולה להחליף דלקים מאובנים בייצור חומרים כמו פלדה ומלט.
במקום לשרוף דלקים מאובנים כדי להגיע לטמפרטורות הדרושות להיתוך פלדה ולבשל מלט, מדענים בשוויץ רוצים להשתמש בחום מהשמש. מחקר הוכחת הרעיון משתמש בקוורץ סינטטי כדי ללכוד אנרגיית שמש בטמפרטורות של מעל 1,000 מעלות צלזיוס (1,832 מעלות פרנהייט), המדגים את התפקיד הפוטנציאלי של השיטה באספקת אנרגיה נקייה לתעשיות עתירות פחמן. מאמר על המחקר פורסם ב-15 במאי בכתב העת התקן.
הצורך בדה-קרבוניזציה
"כדי להתמודד עם שינויי אקלים, עלינו לשחרר פחמן באופן כללי", אומר הסופר המקביל אמיליאנו קאסטי מ-ETH ציריך, שוויץ. "אנשים נוטים לחשוב רק על חשמל כעל אנרגיה, אבל למעשה, כמחצית מהאנרגיה משמשת בצורה של חום."
זכוכית, פלדה, מלט וקרמיקה נמצאים בלב ליבה של הציוויליזציה המודרנית, חיוניים לבניית כל דבר, ממנועי מכוניות ועד גורדי שחקים. עם זאת, ייצור חומרים אלה דורש טמפרטורות מעל 1,000 מעלות צלזיוס ונשען במידה רבה על שריפת דלקים מאובנים לחום. תעשיות אלו מהוות כ-25% מצריכת האנרגיה העולמית. חוקרים בחנו אלטרנטיבה של אנרגיה נקייה באמצעות מקלטי שמש, אשר מתרכזים ובונים חום באמצעות אלפי מראות עוקבות אחר השמש. עם זאת, לטכנולוגיה זו יש קשיים בהעברת אנרגיה סולארית ביעילות מעל 1,000 מעלות צלזיוס.
איור של המלכודת התרמית הניסיונית. הוא מורכב ממוט קוורץ (בפנים) ובולם קרמי (בחוץ). קרינת השמש נכנסת בחזית, חום נוצר באזור האחורי. קרדיט: Casati E et al. מכשיר 2024, ערוך
מקלטי שמש חדשניים
כדי להגביר את היעילות של מקלטי שמש, קאסטי פנה לחומרים שקופים למחצה כמו קוורץ, שיכולים ללכוד את אור השמש – תופעה שנקראת אפקט המלכודת התרמית. הצוות יצר מכשיר לכידה תרמית על ידי חיבור מוט קוורץ סינטטי לדיסק סיליקון אטום כסופג אנרגיה. כאשר הם חשפו את המכשיר לשטף אנרגיה שווה ערך לאור המגיע מ-136 שמשות, לוחית הבולם הגיעה ל-1,050°C (1,922°F), בעוד שהקצה השני של מוט הקוורץ נשאר ב-600°C (1,112°F).
פורץ דרך במלכודת תרמית סולארית
"מחקרים קודמים הצליחו להדגים רק את אפקט המלכודת התרמית של עד 170 מעלות צלזיוס (338 מעלות פרנהייט)", אומר קאסטי. "המחקר שלנו הראה כי לכידה תרמית סולארית פועלת לא רק בטמפרטורות נמוכות, אלא הרבה מעל 1,000 מעלות צלזיוס. זה חיוני כדי להראות את הפוטנציאל שלו ליישומים תעשייתיים בעולם האמיתי."
באמצעות מודל העברת חום, הצוות גם דימה את יעילות הלכידה התרמית של הקוורץ בתנאים שונים. המודל הראה כי לכידה תרמית משיגה את טמפרטורת המטרה בריכוזים נמוכים יותר עם אותם ביצועים, או ביעילות תרמית גבוהה יותר עבור ריכוז שווה. לדוגמה, למקלט (לא מסוכך) חדיש יעילות של 40% ב-1,200 מעלות צלזיוס, עם ריכוז של 500 שמשות. המקלט הממוגן ב-300 מ"מ של קוורץ משיג יעילות של 70% באותה טמפרטורה וריכוז. המקלט הלא ממוגן דורש לפחות 1,000 שמשות של ריכוז לביצועים דומים.
כיוונים עתידיים וכדאיות כלכלית
קאסטי ועמיתיו מייעלים כעת את אפקט הלכידה התרמית וחוקרים יישומים חדשים לשיטה. עד כה, המחקר שלהם היה מבטיח. על ידי חקר חומרים אחרים, כמו נוזלים וגזים שונים, הם הצליחו להגיע לטמפרטורות גבוהות עוד יותר. הצוות גם ציין שהיכולת של חומרים חצי שקופים אלה לקלוט אור או קרינה אינה מוגבלת לקרינת השמש.
"נושא האנרגיה הוא אבן יסוד להישרדות החברה שלנו", אומר קאסטי. "אנרגיה סולארית זמינה בקלות, והטכנולוגיה כבר כאן. כדי באמת להניע אימוץ בתעשייה, עלינו להדגים את הכדאיות הכלכלית ואת היתרונות של הטכנולוגיה הזו בקנה מידה".
