Mae ynni wedi bod yn ffactor allweddol erioed mewn trawsnewidiad a chynnydd cymdeithasol dynolryw. Daeth y pwysigrwydd hwn yn arbennig o amlwg ar ôl y ddau Chwyldro Diwydiannol, gan wneud pobl yn fwyfwy ymwybodol o rôl hanfodol datblygu ynni.
Yng nghymdeithas sy'n datblygu'n gyflym heddiw, mae ffynonellau ynni traddodiadol fel tanwydd ffosil (glo, olew, ac ati) yn wynebu heriau sylweddol oherwydd cylchoedd adfywio hir, cronfeydd wrth gefn sy'n lleihau, ac ansawdd sy'n lleihau. Mae'r problemau hyn yn ei gwneud hi'n gynyddol anodd diwallu'r galw cynyddol am ynni, gan wthio datblygu a defnyddio ffynonellau ynni newydd i'r amlwg.
Ysbrydoliaeth o Ffotosynthesis: Harneisio Ynni Solar
Fel y gwyddom, mae bron pob ynni defnyddiadwy ar y Ddaear yn deillio o ffotosynthesis mewn planhigion.
Mae ffotosynthesis yn broses fiolegol lle mae planhigion yn syntheseiddio siwgrau gan ddefnyddio carbon deuocsid a dŵr o dan olau'r haul. Gan fod y siwgrau hyn yn rhyddhau ynni yn ystod metaboledd, mae ynni'r haul yn cael ei storio yn y ffordd hon.
Fodd bynnag, nid yw'r ynni hwn yn hawdd ei ddefnyddio ac fel arfer mae angen ei drawsnewid yn drydan, y ffurf a ddefnyddiwn yn gyffredin. Yn ôl ffiseg, mae trosi ynni bob amser yn golygu rhywfaint o golled. Felly, mae trosi ynni'r haul yn uniongyrchol yn drydan wedi dod yn faes ymchwil hollbwysig.
A ellir trawsnewid ynni solar yn uniongyrchol yn drydan? A pha ffactorau sy'n dylanwadu ar y broses hon? Roedd y rhain yn gwestiynau dwys i wyddonwyr ddechrau'r 19eg ganrif. Yn ffodus, daeth datblygiad mawr i'r amlwg ddiwedd y 19eg ganrif.
Darganfyddiad yr Effaith Ffotodrydanol
Ym 1887, darganfu'r ffisegydd enwog Heinrich Hertz—y mae ei enw bellach yn cael ei ddefnyddio fel yr uned ar gyfer amledd—ar ddamwain y gallai golau sy'n taro arwynebau deunyddiau penodol newid eu priodweddau trydanol. Datgelodd ymchwil ddilynol fod y ffenomen hon wedi'i hachosi gan lif electronau, a alwyd yn ddiweddarach yn effaith ffotodrydanol.
Ar y pryd, ffiseg glasurol, a sefydlwyd gan Newton, oedd yn dominyddu meddwl gwyddonol. Roedd yn rhagdybio bod golau yn don yn teithio trwy gyfrwng o'r enw ether (tebyg i grychdonnau yn ymledu ar draws pwll). Yn ôl y ddamcaniaeth hon, roedd egni ton yn dibynnu ar ei hamledd (dwyster y golau).
Roedd yr esboniad hwn yn ymddangos yn reddfol. Er enghraifft, mae golau haul yn teimlo'n gynnes ac yn bleserus yn y gaeaf ond gall achosi llosg haul yng ngwres dwys yr haf. Felly, o dan ffiseg glasurol, tybiwyd bod yr effaith ffotodrydanol yn dibynnu ar ddwyster golau. Eto i gyd, dangosodd arbrofion fel arall.
Dangosodd ymchwil, ar gyfer deunydd penodol, na allai rhai lliwiau golau achosi'r effaith ffotodrydanol waeth beth fo'u dwyster, tra gallai eraill gynhyrchu trydan hyd yn oed ar ddwyster isel. Roedd y canfyddiadau hyn yn gwrth-ddweud ffiseg glasurol, gan ei thaflu i argyfwng a sbarduno chwyldro gwyddonol.
Einstein yn Datgelu'r Dirgelwch
Yng nghanol y storm wyddonol hon, rhoddodd Albert Einstein esboniad arloesol am yr effaith ffotodrydanol.
Cynigiodd Einstein fod golau yn cynnwys ffotonau, pob un yn cynrychioli pecyn ynni arwahanol. Mae ynni ffoton yn dibynnu ar ei amledd (nifer yr osgiliadau yr eiliad), nid ei ddwyster. Felly, mae a all deunydd gynhyrchu electronau yn dibynnu'n llwyr ar ynni'r ffoton, nid nifer y ffotonau.
Enillodd mewnwelediad chwyldroadol Einstein Wobr Nobel mewn Ffiseg ym 1921 iddo, gan iddo ddatrys mater hollbwysig na lwyddodd ffiseg glasurol i'w egluro.
Celloedd Solar: Troi Golau yn Drydan
Fe wnaeth darganfod yr effaith ffotodrydanol baratoi'r ffordd ar gyfer cymwysiadau ymarferol fel celloedd solar.
Mae cell solar yn debyg i frechdan, gyda haen weithredol sy'n sensitif i olau wedi'i gosod rhwng haen cludo electronau a haen cludo twll. Mae dau ben y strwythur yn ddeunyddiau electrod, yn aml yn fetel ac ocsid tun indiwm (ITO).
Pan fydd yr haen weithredol yn amsugno ffotonau, mae ei electronau'n cael eu cyffroi i lefelau ynni uwch. Mae'r electronau cyffroedig hyn yn cael eu trosglwyddo i'r haen cludo electronau, tra bod y "tyllau" (rhanbarthau sydd heb electronau) yn cael eu dargludo gan yr haen cludo tyllau. Mae'r trefniant hwn yn creu cylched, gan alluogi llif y cerrynt.
Drwy ddefnyddio strwythur dyfais o'r fath, gellir trosi ynni'r haul yn uniongyrchol yn drydan, gan roi ffynhonnell ynni effeithlon a glân inni.
Teyrnged i Archwilio Gwyddonol
Mae egwyddor celloedd solar yn enghraifft o sut mae archwiliadau gwyddonol wedi gwella ein bywydau'n sylweddol. Diolch i ymroddiad nifer dirifedi o wyddonwyr a'u darganfyddiadau arloesol, mae dynoliaeth yn parhau i harneisio pŵer natur ar gyfer dyfodol disgleiriach. Gadewch inni dalu teyrnged i'w cyfraniadau rhyfeddol!
