Orka hefur alltaf verið lykilþáttur í umbreytingum og framförum mannkynssamfélagsins. Þetta mikilvægi varð sérstaklega augljóst eftir iðnbyltingarnar tvær, sem gerði fólk sífellt meðvitaðra um mikilvægi orkuþróunar.
Í ört vaxandi samfélagi nútímans standa hefðbundnar orkugjafar eins og jarðefnaeldsneyti (kol, olía o.s.frv.) frammi fyrir miklum áskorunum vegna langra endurnýjunarferla, minnkandi orkuforða og minnkandi gæða. Þessi vandamál gera það sífellt erfiðara að mæta vaxandi orkuþörf og ýta þróun og nýtingu nýrra orkugjafa fram á við.
Að sækja innblástur frá ljóstillífun: Að beisla sólarorku
Eins og við vitum kemur nánast öll nothæf orka á jörðinni frá ljóstillífun í plöntum.
Ljóstillífun er líffræðilegt ferli þar sem plöntur mynda sykur með því að nota koltvísýring og vatn undir sólarljósi. Þar sem þessir sykurtegundir losa orku við efnaskipti er sólarorka geymd á þennan hátt.
Þessi orka er þó ekki auðnýtanleg og þarf yfirleitt að breyta henni í rafmagn, það form sem við notum almennt. Samkvæmt eðlisfræðinni hefur orkubreyting alltaf einhvers konar tap í för með sér. Þess vegna hefur bein umbreyting sólarorku í rafmagn orðið mikilvægt rannsóknarsvið.
Er hægt að breyta sólarorku beint í rafmagn? Og hvaða þættir hafa áhrif á þetta ferli? Þetta voru djúpstæðar spurningar fyrir vísindamenn snemma á 19. öld. Sem betur fer varð mikil bylting seint á 19. öld.
Uppgötvun ljósvirkni
Árið 1887 uppgötvaði hinn þekkti eðlisfræðingur Heinrich Hertz – sem nú er notað sem mælieining fyrir tíðni – fyrir slysni að ljós sem lendir á ákveðnum yfirborðum efnis gæti breytt rafmagnseiginleikum þeirra. Síðari rannsóknir leiddu í ljós að þetta fyrirbæri stafaði af rafeindaflæði, sem síðar var kallað ljósrafáhrif.
Á þeim tíma var klassísk eðlisfræði, stofnuð af Newton, ráðandi í vísindalegri hugsun. Hún setti fram þá fullyrðingu að ljós væri bylgja sem ferðaðist um miðil sem kallast eter (líkt og öldur sem breiðast út yfir tjörn). Samkvæmt þessari kenningu var orka bylgju háð sveifluvídd hennar (ljósstyrk).
Þessi skýring virtist innsæi. Til dæmis finnst sólarljósi þægilega hlýtt á veturna en getur valdið sólbruna í miklum sumarhita. Þess vegna var talið, samkvæmt klassískri eðlisfræði, að ljósvirkni væri háð ljósstyrk. Tilraunir sýndu þó hið gagnstæða.
Rannsóknir sýndu að fyrir tiltekið efni gátu ákveðnir litir ljóss ekki valdið ljósvirkni óháð styrkleika, en aðrir gátu framleitt rafmagn jafnvel við lágan styrk. Þessar niðurstöður stangast á við klassíska eðlisfræði, steyptu henni í kreppu og kveiktu vísindabyltingu.
Einstein afhjúpar leyndardóminn
Í miðjum þessum vísindalegu stormi kom Albert Einstein með byltingarkennda skýringu á ljósvirkninni.
Einstein lagði til að ljós væri samsett úr ljóseindum, sem hver um sig táknaði stakan orkupakka. Orka ljóseinda er háð tíðni hennar (fjölda sveiflna á sekúndu), ekki styrkleika hennar. Þannig er það algjörlega háð orku ljóseindarinnar, ekki fjölda ljóseinda, hvort efni geti myndað rafeindir.
Byltingarkennd innsýn Einsteins aflaði honum Nóbelsverðlaunanna í eðlisfræði árið 1921, þar sem hún leysti mikilvægt mál sem klassísk eðlisfræði gat ekki útskýrt.
Sólarsellur: Að breyta ljósi í rafmagn
Uppgötvun ljósvirkni ruddi brautina fyrir hagnýtar notkunarmöguleika eins og sólarsellur.
Sólarsella líkist samloku, með ljósnæmu virku lagi sem er staðsett á milli rafeindaflutningslags og holuflutningslags. Endar uppbyggingarinnar eru úr rafskautsefni, oft málmi og indíum-tínoxíði (ITO).
Þegar virka lagið gleypir ljóseindir eru rafeindir þess örvaðar upp í hærra orkustig. Þessar örvuðu rafeindir eru fluttar til rafeindaflutningslagsins, en „holurnar“ (svæðin sem skortir rafeindir) eru leiddar af holuflutningslaginu. Þessi uppröðun býr til hringrás sem gerir straumflæði mögulega.
Með því að nota slíka tækjauppbyggingu er hægt að breyta sólarorku beint í rafmagn, sem gefur okkur skilvirka og hreina orkugjafa.
Hylling til vísindalegra rannsókna
Meginreglan um sólarsellur er dæmi um hvernig vísindalegar rannsóknir hafa bætt líf okkar til muna. Þökk sé hollustu ótal vísindamanna og byltingarkenndum uppgötvunum þeirra heldur mannkynið áfram að beisla kraft náttúrunnar til bjartari framtíðar. Við skulum heiðra einstakt framlag þeirra!
