Omvända solceller alstrar ström på natten

Mörkret faller över Palo Alto i Kalifornien, och en stjärnklar himmel uppenbarar sig över Stanford University, USA.

Allt är fridfullt, men alla är inte färdiga med dagens jobb. På taket av en av universitetsbyggnaderna är en liten grupp fysiker och elektroingenjörer fullt upptagna med ett banbrytande experiment.

I den kyliga kvällsluften har de ställt upp en apparat som kan vända upp och ned på allt vi tidigare har vetat om solenergi.

Forskarna kontrollerar sin mätutrustning och ser sitt stora genombrott: Uppfinningen alstrar ström – inte trots utan på grund av den mörka, kalla natthimlen.

Forskarna har uppfunnit en omvänd solcell. Vanliga solceller alstrar elektricitet när solstrålarna träffar dem, men den här tekniken alstrar ström när den sänder ut solens värmestrålning till den kalla rymden nattetid.

Den banbrytande tekniken kallas negativ belysning, och med den har världen fått en ny och unik typ av hållbar energi.

Universums kyla alstrar ström på natten

Tekniken kan leda till solceller som fungerar dygnet runt eftersom de kan generera ström både dag och natt. Dessutom kan omvända solceller skapa ström av den varma rök som ryker ur fabrikernas skorstenar.

Cellerna kan visa sig bli den energikälla vi saknar för att kunna bosätta oss på Mars.

Värme kyler ned hus

Kylteknik är föregångaren till den omvända solcellen. Det används massor av ström till att kyla med hus – exempelvis i USA, där 15 procent av all energi som förbrukas i byggnader går till luftkonditionering.

Elförbrukningen kan minska om värmen kunde strömma ut i världsrymden i stället för att avlägsnas av luftkonditioneringsanläggningar.

Standfordforskarna bakom den omvända solcellen fick 2014 idén att bygga en radiator som kyler ned luften i sin omgivning stället för att värma upp den.

Den omvända radiatorn tar upp värme från luften under sig och skickar upp den mot rymdens kyla.

Forskarna designade radiatorn så att den skulle sända ut värme – det vill säga infraröd strålning – vid vissa bestämda våglängder som kan ta sig igenom atmosfärens gaser (som normalt bromsar strålningen).

Radiatorn kylde ned byggnaden under sig, vilket fick forskarna att fråga: Tänk om rymdens kyla inte bara kan användas till nedkylning utan även som energikälla?

Omvänd solcell bygger på teori om ångmaskiner

År 1824 upptäckte fysikern Sadi Carnot att en ångmaskin fungerar tack vare att värme alltid strömmar mot kyla, och att denna värmeström omvandlas till rörelse. I ångmaskinen får värmen ångan att expandera så att den stöter till en pistong, varpå ångan avger värmen igen. Principen kan överföras till vilken maskin som helst som drivs av temperaturskillnader. I en bensinmotor skapas rörelse när luft som värmts upp under förbränningen
av bensin expanderas och stöter till en kolv. Värme kan även få elektroner att röra sig, vilket forskare utnyttjar med den omvända solcell de nyligen har utvecklat.

Gammal teori återupplivas

Idén att samla energi från värme som strömmar mot kyla går så långt tillbaka som till 1824. Då fick den franske fysikern Sadi Carnot ett aha-ögonblick efter att ha funderat över varför ångmaskiner fungerar som de gör.

Det gick upp för honom att skillnader i temperatur generellt kan förvandlas till rörelse eftersom värme alltid strömmar mot kyla. Och värmeströmmen kan sätta föremål i rörelse på vägen.

Han kom på en formel för hur mycket mekanisk energi en given temperaturskillnad maximalt kan ge.

Stanfordforskarna har nu tagit upp den nästan 200 år gamla idén på nytt. Jorden är varm jämfört med den kalla yttre rymden eftersom den oavbrutet träffas av solens strålar.

Temperaturskillnaden kan sätta föremål i rörelse och elektricitet består av elektriskt laddade partiklar – vanligen elektroner – som rör sig.

Därför måste det vara möjligt, ansåg forskarna, att konstruera en elektronikdetalj som kan samla elektrisk energi från rymdens kyla, där temperaturen når ända ned till minus 270,42 °C, bara 2,73 grader över den absoluta nollpunkten.

Universums kyla alstrar elektrisk ström

När jordens värme stiger upp mot den iskalla världsrymden drar den med sig energi. Därför rör sig elektronerna långsammare överst i den omvända solcellen, vilket skapar en spänningsskillnad som får ström att gå runt i ett kretslopp.

Värme sätter fart på elektroner

I rumstemperatur far elektroner omkring i slumpartade riktningar i ett material bestående av kvicksilver, kadmium och tellur. Materialet valdes för att det kan förvandla infraröd strålning till ström, oavsett om det tar emot eller sänder ut strålningen. Laddningen är jämn i hela materialet när alla elektroner flyger runt snabbt.

Kyla bromsar elektroner

Materialet sänder ut värmestrålning i form av infraröda fotoner när det varma materialet i solcellen utsätts för kylan från rymden på natten. Varje foton tar med sig energi från materialet. Denna energi tas från elektronerna, som därmed tappar fart i den översta delen av solcellen som är vänd mot världsrymden.

Spänning skapar ström

Differensen i antalet snabba elektroner överst och nederst skapar en spänningsskillnad eftersom elektroner rör sig fritt nedanför. Spänningsskillnaden driver runt ström i ett kretslopp på grund av att elektronerna förflyttar sig från den negativt laddade till den positivt laddade änden för att utjämna obalansen.

Kyla kan få glödlampa att lysa

Forskarnas lösning på en omvänd solcell bygger på en infraröd fotodiod som vanligtvis används till infraröda detektorer och ofta används i exempelvis nattkikare.

Där omvandlar en infraröd fotodiod värmestrålning från människor och djur till elektriska impulser som sedan blir synligt ljus på en bildskärm.

Forskarna insåg att en infraröd fotodiod inte bara kan producera elektricitet när den träffas av värmestrålning utifrån, utan även när den själv är varm och sänder ut värmestrålningen till kallare omgivningar – strömmen tar bara motsatt väg runt i kretsloppet.

Värmestrålningen mot kallare omgivningar ”stjäl” sin energi från elektronerna i fotodioden, och börjar därför röra sig långsammare i den kallaste änden av dioden.

Det skapar en skillnad i elektrisk laddning mellan den varma och den kalla änden.

Om de två ändarna kopplas ihop i ett elektriskt kretslopp kommer elektronerna att löpa genom kretsloppet för att återupprätta balansen och vips: Ström.

Och det var så Stanfordforskarna skapade ström med sin fotodiod på taket på Palo Alto 2019.

I forskarnas försök på taket uppmätte termometern 20 °C, och effekten mätte de upp till blygsamma 64 miljarddelar av en watt per kvadratmeter.

Men forskarna har räknat sig fram till att tekniken kan optimeras och nå upp till fyra watt per kvadratmeter – och då kan en omvänd solcell exempelvis driva en LED-lampa som lyser med samma styrka som en gammaldags glödlampa med en effekt på 40 watt.

Marsbaser kan använda tekniken

Den nya tekniken kan producera miljövänlig energi på natten – den kan exempelvis ge ljus i mörkret till de 1,1 miljarder människor i världen som inte är kopplade till elnätet.

De flesta av dem bor i varma länder och den omvända solcellen fungerar bättre ju varmare jorden blir i förhållande till rymden.

Den omvända solcellen kan även användas till att utvinna miljövänlig el från överskottsvärme, exempelvis från varm rök från skorstenen på en fabrik, ett kraftverk eller en förbränningsanläggning.

Där kommer solcellen till sin rätt eftersom den fungerar bättre vid stora temperaturskillnader.

När forskarna bakom tekniken värmde upp sin fotodiod till 96 °C, gav den cirka 80 gånger så mycket ström som vid 20 °C.

Omvända solceller kan dessutom bli avgörande för vår utforskning av solsystemet.

En besläktad teknik används redan till robotbilen Curiosity på Mars, som får ström från en generator i vilken värmen från radioaktivt plutonium omvandlas till elektricitet.

Den nya tekniken kan alstra mer elektricitet per värmegrad än befintliga metoder. Och om människan ska överleva i bosättningar på andra planeter, exempelvis Mars, behöver vi hållbar energi både dag och natt.

Mars ligger längre från solen än vad jorden gör, därmed är solceller inte lika effektiva.

Däremot kan de nya, omvända solcellerna ge energi hela natten på Mars, som har en mycket tunn atmosfär nästan fri från moln som bromsar utstrålningen av värme.

Artikeln publicerades första gången 2020