Էներգիան միշտ էլ կարևոր գործոն է եղել մարդկային հասարակության վերափոխման և առաջընթացի գործում։ Այս կարևորությունը հատկապես ակնհայտ դարձավ երկու արդյունաբերական հեղափոխություններից հետո, ինչը մարդկանց ավելի ու ավելի է գիտակցում էներգետիկայի զարգացման կարևոր դերը։
Այսօրվա արագ զարգացող հասարակությունում ավանդական էներգիայի աղբյուրները, ինչպիսիք են բրածո վառելիքները (ածուխ, նավթ և այլն), բախվում են զգալի մարտահրավերների՝ երկար վերականգնման ցիկլերի, պաշարների նվազման և որակի անկման պատճառով: Այս խնդիրները ավելի ու ավելի դժվարացնում են աճող էներգիայի պահանջարկի բավարարումը, ինչը նոր էներգիայի աղբյուրների մշակումն ու օգտագործումը մղում է առաջնային պլան:
Ֆոտոսինթեզից ոգեշնչվելը. արևային էներգիայի օգտագործումը
Ինչպես գիտենք, Երկրի վրա օգտագործելի էներգիայի գրեթե ամբողջությունը ստացվում է բույսերի ֆոտոսինթեզի միջոցով։
Ֆոտոսինթեզը կենսաբանական գործընթաց է, որի ընթացքում բույսերը սինթեզում են շաքարներ՝ օգտագործելով ածխաթթու գազ և ջուր արևի լույսի ներքո: Քանի որ այս շաքարները նյութափոխանակության ընթացքում էներգիա են արտազատում, արևային էներգիան այս կերպ է պահվում:
Սակայն այս էներգիան հեշտությամբ օգտագործելի չէ և սովորաբար պահանջում է փոխակերպում էլեկտրաէներգիայի, այն ձևի, որը մենք սովորաբար օգտագործում ենք: Ֆիզիկայի համաձայն, էներգիայի փոխակերպումը միշտ ենթադրում է որոշակի կորուստներ: Հետևաբար, արևային էներգիայի անմիջականորեն էլեկտրաէներգիայի փոխակերպումը դարձել է հետազոտության կարևորագույն ոլորտ:
Կարո՞ղ է արեգակնային էներգիան անմիջապես վերածվել էլեկտրաէներգիայի: Եվ ի՞նչ գործոններ են ազդում այս գործընթացի վրա: Սրանք խորը հարցեր էին գիտնականների համար 19-րդ դարի սկզբին: Բարեբախտաբար, 19-րդ դարի վերջին տեղի ունեցավ խոշոր առաջընթաց:
Ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի հայտնաբերումը
1887 թվականին հայտնի ֆիզիկոս Հենրիխ Հերցը, որի անունն այժմ օգտագործվում է որպես հաճախականության միավոր, պատահաբար հայտնաբերեց, որ որոշակի նյութական մակերեսների վրա ընկնող լույսը կարող է փոխել դրանց էլեկտրական հատկությունները: Հետագա հետազոտությունները ցույց տվեցին, որ այս երևույթը պայմանավորված է էլեկտրոնային հոսքով, որը հետագայում անվանվեց ֆոտոէլեկտրական էֆեկտ:
Այդ ժամանակ Նյուտոնի կողմից հիմնադրված դասական ֆիզիկան գերիշխող դիրք էր գրավում գիտական մտքում։ Այն պնդում էր, որ լույսը ալիք է, որը տարածվում է եթեր կոչվող միջավայրում (նման է լճակի վրայով տարածվող ալիքներին): Այս տեսության համաձայն՝ ալիքի էներգիան կախված է դրա ամպլիտուդից (լույսի ինտենսիվությունից):
Այս բացատրությունը թվում էր ինտուիտիվ։ Օրինակ՝ արևի լույսը ձմռանը հաճելիորեն տաք է, բայց ամռան ուժեղ շոգի ժամանակ կարող է արևայրուք առաջացնել։ Հետևաբար, դասական ֆիզիկայի պայմաններում համարվում էր, որ ֆոտոէլեկտրական էֆեկտը կախված է լույսի ինտենսիվությունից։ Սակայն փորձերը ցույց տվեցին հակառակը։
Հետազոտությունները ցույց տվեցին, որ տվյալ նյութի դեպքում լույսի որոշակի գույներ չեն կարող առաջացնել ֆոտոէլեկտրական էֆեկտ՝ անկախ ինտենսիվությունից, մինչդեռ մյուսները կարող են էլեկտրաէներգիա առաջացնել նույնիսկ ցածր ինտենսիվությամբ։ Այս արդյունքները հակասեցին դասական ֆիզիկային՝ այն գցելով ճգնաժամի մեջ և առաջացնելով գիտական հեղափոխություն։
Այնշտայնը բացահայտում է գաղտնիքը
Այս գիտական փոթորկի մեջ Ալբերտ Այնշտայնը տվեց ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի համար հեղափոխական բացատրություն:
Այնշտայնը առաջարկեց, որ լույսը բաղկացած է ֆոտոններից, որոնցից յուրաքանչյուրը ներկայացնում է առանձին էներգիայի փաթեթ։ Ֆոտոնի էներգիան կախված է դրա հաճախականությունից (վայրկյանում տատանումների քանակը), այլ ոչ թե ինտենսիվությունից։ Այսպիսով, նյութի էլեկտրոններ առաջացնելու կարողությունը լիովին կախված է ֆոտոնի էներգիայից, այլ ոչ թե ֆոտոնների քանակից։
Այնշտայնի հեղափոխական հայացքը նրան բերեց ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակ 1921 թվականին, քանի որ այն լուծեց մի կարևոր խնդիր, որը դասական ֆիզիկան չկարողացավ բացատրել։
Արևային մարտկոցներ. Լույսը էլեկտրականության վերածելը
Ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի հայտնաբերումը ճանապարհ հարթեց գործնական կիրառությունների համար, ինչպիսիք են արևային մարտկոցները։
Արեգակնային մարտկոցը նման է սենդվիչի, որի լուսազգայուն ակտիվ շերտը տեղադրված է էլեկտրոնների փոխադրման շերտի և անցքերի փոխադրման շերտի միջև: Կառուցվածքի երկու ծայրերը էլեկտրոդային նյութերից են, հաճախ՝ մետաղից և ինդիումի անագի օքսիդից (ITO):
Երբ ակտիվ շերտը կլանում է ֆոտոններ, դրա էլեկտրոնները գրգռվում են դեպի ավելի բարձր էներգիայի մակարդակներ։ Այս գրգռված էլեկտրոնները փոխանցվում են էլեկտրոնների փոխադրման շերտին, մինչդեռ «անցքերը» (էլեկտրոններից զուրկ շրջանները) հաղորդվում են անցքերի փոխադրման շերտի կողմից։ Այս դասավորությունը ստեղծում է մի շղթա, որը հնարավորություն է տալիս հոսանքի հոսքին։
Նման սարքի կառուցվածքի միջոցով արևային էներգիան կարող է անմիջապես վերածվել էլեկտրաէներգիայի՝ մեզ տալով արդյունավետ և մաքուր էներգիայի աղբյուր։
Գիտական հետազոտություններին նվիրված հարգանքի տուրք
Արեգակնային մարտկոցների սկզբունքը վառ օրինակ է, թե ինչպես են գիտական հետազոտությունները խորապես բարելավել մեր կյանքը: Անթիվ գիտնականների նվիրվածության և նրանց նորարարական հայտնագործությունների շնորհիվ մարդկությունը շարունակում է օգտագործել բնության ուժը՝ ավելի պայծառ ապագայի համար: Եկեք հարգանքի տուրք մատուցենք նրանց արտասովոր ներդրմանը:
