Thermofotovoltaïsche cel: zonnecel zonder zon

Een thermofotovoltaïsche cel werkt puur op warmte, waardoor elektriciteit wordt opgewekt zonder dat er zonlicht bij betrokken is. Hoewel het principe dat wordt gebruikt – het oppervlaktemateriaal zo aanpassen dat alleen bepaalde golflengtes straling worden uitgezonden – niet nieuw is, is dit systeem veel efficiënter dan vorige incarnaties. De opvolger voor de brandstofcel?

In het kort
Het geheim van het systeem: een materiaal met ontelbare gaatjes op nanoschaal (tientallen tot honderden atomen breed dus) op het oppervlak. Als het materiaal warmte absorbeert van welke bron dan ook – de zon, fossiele brandstof, radioisotoop of een andere energiebron – straalt het oppervlak vooral energie uit in de golflengtes die de kuiltjes toelaten.

Onderzoekers van het MIT zijn er op die manier in geslaagd om een krachtcel die werkt op butaan te bouwen. Deze krachtcel gaat drie keer langer mee dan een even zware lithium-ion batterij; het apparaatje kan direct worden “opgeladen” (door er een nieuw brandstoftankje in te doen). Een ander apparaat, waarbij de energie wordt geleverd door een radioactieve stof,  kan dertig jaar achter elkaar energie blijven leveren – een ideale krachtbron dus voor ruimtevaartuigen die onderweg zijn naar de donkere, koude buitenste regionen van het zonnestelsel.

Verliezen bij warmteomzetting kost heel veel energie
Ongeveer 92% van al ons energieverbruik houdt op de een of andere manier omzetting van warmte in elektriciteit of voortbeweging in. Kolen- en gascentrales, zelfs kerncentrales werken zo. Ook onze auto’s werken met een verbrandingsmotor waarbij het hete verbrandingsgas uitzet en de motor aandrijft.
Erg efficiënt gaat dat niet. Alleen de warmte die vrijkomt door temperatuursverschillen is af te tappen als vrije energie. Je bent dan namelijk gebonden aan de beperkingen van de thermodynamica, waardoor zelfs bij een volmaakte generator maar een beperkt deel van de energie in elektriciteit is om te zetten. Kortom: zouden we een andere manier hebben om warmte te oogsten, dan zou dit wel eens heel veel vrije energie kunnen opleveren. Vooral als het op klein schaal kan, want vooral kleine omzetters gaan erg spilzuchtig te werk.

Zonnepaneel op warmte
Thermofotovoltaïsche cellen, zonnecellen die werken bij op infrarood (warmtestraling) in plaats van licht, bestaan al een halve eeuw. Een brandend stuk hout, bijvoorbeeld, verhit een materiaal, de zogeheten thermische emitter. Dit roodgloeiende materiaal straalt warmte en licht op de zonnecel, die elektriciteit levert. Uiteraard bevat het roodgloeiende licht veel meer rood licht en warmtestraling dan zonlicht en er is dan ook een speciaal type zonnepaneel voor nodig (dat de zwakkere fotonen van infraroodstraling kan vangen) om dit om te zetten in elektriciteit. Desondanks wordt nog steeds veel warmtestraling niet omgezet waardoor de efficiëntie laag blijft.

Het geheim: laat het voorwerp alleen bepaalde golflengtes uitzenden
Een volledig zwart voorwerp gedraagt zich qua straling precies volgens het boekje, dat wil zeggen: volgens de stralingswet van Wien en Planck. Hoe heter het voorwerp, hoe meer en hoe energierijker fotonen het uitzendt. De straling komt in een vloeiend spectrum vrij. Natuurlijke stralingsbronnen, van de zon tot de mens, gedragen zich doorgaans als deze zogeheten zwarte stralers.

Het zou uiteraard handig zijn een stralingsbron te hebben die alleen golflengtes uitzendt die de zonnecel kan verwerken. Dat zou de zonnecel veel efficiënter maken.Dus bijvoorbeeld: een stuk gloeiend metaal dat alleen groen opgloeit. Een zonnecel die extreem gevoelig is voor groen licht zou dan een enorm hoog rendement kunnen behalen, zonder dat je je hoofd hoeft te breken over manieren om andere golflengtes te vangen, zoals zonnecelmakers nu moeten doen.

Het fundamentele probleem bij zonnecellen
In een zonnecel krijgt een elektron een oplawaai door een foton, maakt een sprong en vloeit dan weer terug terwijl het zijn energie afgeeft. Is het foton te zwak, dan kan het elektron niet over de barrière springen. Is het foton te sterk, dan springt het elektron wel, maar de extra energie van het foton gaat verloren. Beide effecten maken efficiënte zonnepanelen maken zo ingewikkeld.

Maar hoe vind je een dergelijk materiaal? Het antwoord: maak een foto-aktief kristal door het oppervlak zo te bewerken (bijvoorbeeld met zeer kleine putjes of richels)  dat licht op een heel andere manier door het voorwerp beweegt.

En dat is wat het team deed. Ze namen een stuk wolfraam – dat is een metaal met een extreem hoog smeltpunt (3410 graden), daarom gebruiken ze het voor gloeidraadjes in een gloeilamp – en bedekten het oppervlak met miljarden kleine putjes. Als het stuk bewerkte wolfraam heet wordt, geeft het helder licht dat sterk afwijkt van het emissiespectrum van een zwart lichaam. De reden: de putjes dwingen fotonen als het ware een bepaalde golflengte te krijgen. Andere golflengtes passen niet in de putjes.

Elektriciteitscentrale zo groot als een knoop

De knoopvormige micro-energiecentrale gebruikt koolwaterstoffen als propaan en butaan (kampeerders welbekend als camping gas). Het ding staat ondertussen bekend als een micro-TPV power generator. De verbrandende koolwaterstoffen verhitten het wolfraam dat begint te gloeien in golflengtes, waar het zonnepaneel op berekend is. Per gewichtseenheid kan er drie keer zoveel elektriciteit uit worden geperst als uit een lithium-ion batterij. Ook gaat het opladen uiteraard erg makkelijk en snel: simpelweg een tankje verwisselen. Ideaal voor het leger. Zo kan de democratie in bijvoorbeeld het olierijke Libië weer worden ‘bevorderd’, want een zonnepaneeltje uitrollen schiet niet echt op als je met je radiozender snel wilt doorgeven waar bommenwerpers hun eitjes moeten leggen.

Ook voor burgers is het natuurlijk erg makkelijk je laptop of mobieltje maar een keer per week op te hoeven laden.
Of – het echte werk – bekleed je allesbrander met dit spul. Zo krijg je pas echt een hoge-rendementsketel. De grap is dat er geen speciale brandstof nodig is, alles wat maar kan branden en de brander niet verstopt kan er in.Volgens de bedenkers zijn er heel veel toepassingen van deze techniek mogelijk. Denk aan hybride auto’s. Wat zijn jullie ideeën?

Bron:
Sun free photovoltaics, Massachusetts Institute of Technology (2011)