Zou het mogelijk zijn om energie op te slaan in eindeloos heen en weer kaatsend licht? In principe wel, als je spiegels maar goed genoeg zijn…
Batterijen hopeloos inefficiënt
De batterijen die we kennen hebben allen een belangrijk nadeel. De energiedichtheid is niet om over naar huis te schrijven. Eigenlijk is alleen antimaterie als energieopslagmiddel voldoende efficiënt. De totale massa van antimaterie kan (met een even grote hoeveelheid materie) volledig in de dubbele hoeveelheid energie omgezet worden. Dat betekent per gram antimaterie de hoeveelheid energie van de Hiroshima-bom. Hiermee vergeleken vallen de bestaande batterijen volkomen in het niet. In een (op dit moment in ontwikkeling zijnde) lithium-ion batterij van een kilo kan bijvoorbeeld maximaal twee kilowattuur worden opgeslagen (1). Dat is een lachertje vergeleken met de energie die vrijkomt als een kilogram massa geheel in energie wordt omgezet: 25 miljard kilowattuur. Het vervelende van antimaterie is dat het uiterst explosief spul en onhandelbaar spul is. Het moet worden opgesloten in een magnetisch veld. Ook heb je een zware versneller nodig om het te maken en zelfs dan met uiterst laag rendement. Niet erg praktisch dus.
Opslaan van licht
Een oplossing is om de energie als licht op te slaan. Fotonen zijn massaloze deeltjes die uit pure elektromagnetische energie bestaan. Als het mogelijk zou zijn om een kilogram-equivalent fotonen ergens op te slaan, zou je met die ene kilogram licht, heel Nederland bijna een half jaar van stroom kunnen voorzien. Kortom: een ideale batterij. Er zijn alleen een aantal lastige technische problemen.
Vacuüm en volmaakte spiegel nodig
Fotonen bewegen per definitie met de lichtsnelheid. Weliswaar kan je licht vertragen in een medium als glas, maar dan praat je niet meer over licht maar over fononen, trillingsquanta die langzamerhand geabsorbeerd worden. Zelfs in de allerbeste glasvezelkabel bedraagt het verlies bij de optimale golflengte 50% per duizend kilometer. Ook gaat een materiaal bij hoge energiedichtheden smelten. Conclusie: alleen totaal vacuüm komt dus in aanmerking.
Verder zal het licht opgesloten moeten worden in een beperkte ruimte. Dit kan bijvoorbeeld door middel van spiegels. In een reflecterende schoenendoos zal licht ongeveer een miljard keer per seconde weerkaatsen. De allerbeste spiegels, diëlektrische spiegels doe voor lasers worden gebruikt, absorberen ongeveer een honderdduizendste deel van het licht(2), dus na een duizendste seconde is al meer dan de helft van je licht weggelekt. Wil je het licht een dag opsluiten, dan moeten de spiegels een miljard maal beter worden.
Een andere oplossing is totale externe reflectie. Als licht onder een zeer vlakke hoek weerkaatst, reflecteert het vrijwel volmaakt. Dit effect merk je op een zonnige dag, waarbij zelfs de minieme reflectie van de hete luchtlaag boven de weg, al voldoende is om het spiegeleffect op te wekken. Daarvan kan je ook gebruik maken om licht eindeloos te laten weerkaatsen. Stel, je plaatst die diëlektrische spiegels in een ring en maakt ze extreem glad, dan kan je de reflectiviteit extreem veel opvoeren. Vermoedelijk wordt het dan haalbaar om licht er in op te sluiten.
Bronnen
1. Battery Booster, Chemical and Engineering News
2. Hecht, H. Optics, fourth edition, Pearson Education, ISBN 0-321-18878-0