Sunčeva svetlost proizvodi paru iz ledene vode

Naučnici univerziteta Rice su otkrili novu, vrlo naprednu, tehnologiju koja koristi nano čestice za direktno pretvaranje solarne energije u paru. Nova „solar steam“ (sunčeva para) metoda koja je osmišljena u laboratoriji univerziteta (Rice’s Laboratory for Nanophotonics – LANP) je toliko efikasna da može, čak proizvesti paru iz ledeno hladne vode.

Detalji ovog metoda su objavljeni novembra meseca ove godine u Internet časopisu ACS Nano. Efikasnost tehnologije je procenjena na 24%. Solarne ćelije (fotovoltaične), poređenja radi, u proseku postižu efikasnost od 15%. Međutim, istraživači sunčeve pare ne očekuju da će prva primena njihove tehnologije biti vezana za stvaranje električne energije, nego pre za sanaciju i prečišćavanje u zemljama u razvoju.

„Cela stvar je više od električne energije“ kaže šef laboratorije LANP, Naomi Halas (Naomi Halas), inače vođa celog projekta. „Sa ovom tehnologijom možemo početi da razmišljamo toplotnoj energiji Sunca na potpuno nov način.“

Oara Neumann levo i Naoumi Halas su koautori na novom istraživanju koje se bavi proučavanjem vrlo efikasnih metoda koje pretvaraju sunčevu svetlost u toplotu. Očekuju da će njihova tehnologija imati početni uticaj na razvoj izuzetno malih sistema za obrdu ljudskog otpada i to za zemlje gde fale infrastrukture kao što je električna energija ili kanalizacija: Foto: Jeff Fitlow

Efikasnost sunčeve pare je posledica rada nano čestica koje su u stanju da nadolazeću svetlost Sunca pretvore u toplotu. Kada se ove čestice potope u vodu i izlože sunčevoj svetlosti, one toliko brzo zagreju vodu da se ona momentalno zagreva do temperature pri kojoj voda isparava – dobija se vodena para. Halas kaže da solarna para ima nivo efikasnosti koji se može unaprediti poboljšavanjem same tehnologije.

„Krećemo od zagrevanja vode na makro nivou, da bi je zatim zagrejali na nano skali.“ kaže Halas. „Naše čestice su vrlo male – manje nego talasna dužina same svetlosti – što znači da imaju izuzetno malu površinu koja bi rasipala toplotu.“ Intenzivno lokalno zagrevanje generiše paru na lokalnom nivou, tačno na površini nano čestice, i ideja da se para proizvodi na nivou dela sistema (čerstice) je suprotna od intuitivne.“

Da bi pokazali kako je ceo proces ne intuitivan, saradnik na projektu Oara Njuman (Oara Neuman) je snimila film demonstracije solarne pare. U tom opitu, probna cev u kojoj su se nalazile pomenute nano čestice je potopljena u kupku ledene vode. Koristeći samo sočivo da bi se koncentrisala sunčeva svetlost na skoro smrznutu mešavinu u cevi, Njuman je pokazala da je u stanju da proizvede paru iz skoro smrznute vode.

dfs

Para je najviše korišćeni fluid u industriji. Oko 90 procenata električne energije se proizvodi zahvaljujući pari, a sem toga para se koristi za sterilisanje medicinskog otpada i hirurških instrumenata, da se pripremi hrana i da se pročisti voda.

Sistem sunčeva para koji se razvijen na univerzitetu Rice ima sveukupni nivo efikasnosti od 24 procenata. To znači da od ukupnih 100 posto energije koji je ušao u sistem, 24 procenata biva iskorišćeno za obavljanje nekog procesa ili za zagrevanje nekog drugog sistema. Ovaj rezultat poprilično prevazilazi mogućnosti najmodernijih solarnih ćelija. Verovatno će biti prvo iskorišćen za sanaciju i prečišćavanje vode u zemljama u razvoju. Foto: Jeff Fitlow.

Ljudi u zemljama u razvoju će biti prvi koji će osetiti prednosti sunčeve pare.  Inženjeri univerziteta Rice su već napravili autoklav koji pokreće sunčeva para, a koji je u stanju da steriliše medicinske i zubarske instrumente na klinikama koje nemaju pristup električnoj energiji. Halas je dobila nagradu Grand Challenges grant iz fondacije Bill i Melinda Gates za stvaranje izuzetno malog sistema za obradu ljudskog otpada u oblastima gde nema kanalizacionih sistema ili struje.

„Solarna para je izuzetna zbog svoje efikasnosti“, kaže Njuman, vodeći koautor na naučnom radu. „Nije neophodna velika količina ogledala ili solarnih panela. U stvari, cela aparatura može biti jako mala. Na primer, propusni prozor prilikom naše demonstracije je bio veliki svega nekoliko kvadratnih centimetara.“

Još jedan moguća primena nove tehnologije je u opsluživanju hibridnih rashladnih i sistema za zagrejavanje koji se pokreću preko dana zahvaljujući sunčevoj energiji, a tokom noći koriste električnu energiju. Halas, Njuman i njihove kolege su takođe sprovele eksperiment destilacije i otkrile da je sunčeva para oko dva i po puta efikasnija od postojećih destilacionih sistema.

Halas, Profesor kompjuterskog i električnog inženjeringa, profesor fizike, hemije i bio medicine je jedan od je najčešće citirani hemičar današnjice. U laboratoriji u kojoj radi istraživači su se specijalizovali u stvaranju i proučavanju čestica čije se funkcije aktiviraju pod uticajem svetlosti. Jedna od njenih kreacija – zlatna nano ljuska – je na kliničkim testovima kao potencijalni lek za rak.

Prilikom koncipiranja tehnologije lečenja raka i mnogih drugih tehnologija, Halasin tim bira da radi sa česticama koje interaguju sa vrlo malim brojem različitih talasnih dužina svetlosti. Kada je u pitanju sunčeva para, Halas i Njuman su se odlučile za česticu koja je u stanju da interaguje sa što većim opsegom talasnih dužina sunčeve svetlosti. Ove, nove nano čestice mogu biti aktivirane sa vidljivom svetlošću i sa svetlosnim dužinama svetlosti koje nisu vidljive golim okom.

„Mi ne menjamo bilo koji od zakona termodinamike“, kaže Halas. „Mi samo zagrevamo vodu na radikalno drugačiji način.“

Skladištenje informacija unutar DNK lososa

Skladište informacija i hranjivosti 🙂

Losos, vrlo cenjena i kvalitetna riba. Pogotovo kada neko zna da ga spremi. Održava cele zajednice ribara širom sveta (žive na lovu i prodaji lososa) i vrlo je važan činilac ekosistema. Od skora, pokazalo se, imaju još jednu vrlinu, barem sa naše tačke gledišta: u stanju su da skladište podatke.

Konkretno, njihova dezoksiribonukleniska kiselina (DNK) je ustanju da se ponaša kao skladište informacija. DNK je inače nosilac informacija i genetičkog materijala, koje omogućavaju stvaranje novog organizma. Ovde ne pričamo o tim informacijama, nego o korišćenju gradivne komponente života kao opšte skladište bilo kojih informacija.

Naučnici sa nacionalnog Tcing Hua univerziteta (Tsing Hua) u Tajvanu i Karslrue (Karlsruhe) tehnološkog instituta u Nemačkoj su napravili WORM (write-once-read-many-times) memoriju. Naziv proizilazi iz činjenice da se u taj memorijski „blok“ može upisati jedan podatak, samo jednom, ali se stalno može iznova čitati. Nešto poput CD-ova, iz vremena kada su počeli da se koriste u kompjuterskoj tehnologiji.

Nova, specijalna memorija je sastavljena od elektroda, srebrnih nano čestica i DNK lososa. Treba imati na umu da trenutna verzija ovog uređaja predstavlja dokaz da osmišljeni koncept funkcioniše. Međutim, istraživači ističu poseban potencijal korišćenja organskih materijala u proizvodnji memorijskih modula: mogu biti jeftiniji od dosadašnjih modula koji koriste neorganske materijale (npr. silikon).

Memorijski uređaj je napravljen od vrlo tankog sloja (film) DNK lososa, koji je prožet sa atomima srebra (Ag). Ova, svojevrsna, mešavina organskog i neorganskog materijala je, zatim, postavljena između dve elektrode. Kada se ovako sastavljen modul izloži ultra ljubičastom zračenju, atomi srebra se grupišu u celine veličine nano čestica (10-9m i manje).

Kada na elektrodama nema napona ili se propušta kroz njih vrlo nizak napon, tada kroz DNK (ozračen ultra ljubičastim zračenjem) prolazi slaba struja. Ovakvo stanje bi odgovaralo isključenom  uređaju (off). Kada se jednom kroz elektrode propusti veći napon, za određenu vrednost (prag), kroz DNK počinje da teče struja. Ovo stanje prestavlja uključen uređaj (on).

Daljim ispitivanjem, pokazalo se da je promena provodljivosti nepovratan proces. Kada uređaj jednom uključite ili isključite on ostaje u tom stanju, bez obzira koji napon, posle, primenjujete na njega. Testovi su pokazali da uređaj održava prvobitni nivo provodnosti i posle 30 sati od početnog izlaganja električnom naponu.

Naučnici se sada nadaju daljem razvoju ovog koncepta, tačnije, nadaju se da će ova potvrda funkcionalnosti dovesti do nove tehnike i proizvodnje koja će vremenom rezultirati sa novim tipom optičkog uređaja za skladištenje informacija.

Ovo nije jedino istraživanje koje razmatra ovakve primene DNK. Istraživači pri Imperijalnom koledžu u Londonu (Imperial College London) su već napravili osnovna logička kola. Sa druge strane Atlantskog okeana, američki naučnici su genetski projektovali verziju E. coli u čijoj se DNK rešavaju bazični matematički problemi. Nešto kao živi mikro kompjuter. 😉

 Korišćenje DNK u malo drugačije svrhe je objavljeno u časopisu Applied Physics Letters.