Эффект солнечного паруса

Будущее человечества часто связывают с использованием солнечной энергии. Недавно команда ученых из Квинслендского технологического университета (Австралия) провела ряд экспериментов, показавших, что эффективность работы таких источников можно повысить с помощью… человеческих волос!

Собственно, системы коммуникаций, работающие на солнечной энергии, уже существуют. Скажем, в космической отрасли. Несколько лет назад Европейское космическое агентство (ЕКА) запустило первую рабочую версию так называемого электрического солнечного паруса. Аппарат ESTCube-1 был разработан командой специалистов во главе с Пеккой Янхуненом из Финского метеорологического института.

Солнечным парусом называется специальное приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность, для того чтобы привести в движение космический аппарат, подобно тому как паруса приводят в движение обычный корабль или лодку.

Идея полетов в космос с использованием солнечного паруса родилась еще в 20‑е годы прошлого столетия и принадлежит одному из пионеров ракетостроения – нашему соотечественнику Фридриху Цандеру. Тот исходил из того, что частицы солнечного света – фотоны – обладают импульсом, который можно передавать любой освещаемой поверхности, создавая давление. Впервые величина давления солнечного света была измерена в 1900 году русским физиком Петром Лебедевым.

Давление солнечного света чрезвычайно мало. На земной орбите оно составляет около 5·106 квадратных нанометров и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Однако поскольку солнечный парус не требует потребления ракетного топлива и может действовать практически неограниченный период времени, перспективы его использования выглядят довольно привлекательными.

Несколько раз эффект солнечного паруса применяли для проведения малых коррекций орбит космических аппаратов, при этом в роли паруса выступали солнечные батареи или радиаторы системы терморегуляции.

На Земле подобные системы могут найти применение при проектировании так называемых домов солнца. Проект Halo, разработанный группой Team Sweden, в которую входят студенты более 40 университетов, представляет собой концепцию жилого здания, полностью функционирующего на солнечном электричестве. На 95% конструкция состоит из возобновляемой древесины. В Halo входят более 30 скрепленных друг с другом изолированных модулей. Солнечные батареи располагаются на крыше и обеспечивают энергией весь дом.

Но пока солнечная энергетика еще не получила массового распространения. В том числе из-за высокой стоимости производства составляющих для генераторов.

А что, если взять для этого человеческие волосы? Например, подобная идея пришла в 2014 году в голову 18‑летнему жителю Непала Милану Карки. Во многих сельских районах этой страны нет доступа к электричеству или же он сильно ограничен. Энергию дают лишь в определенные часы, а что это значит для современного человека, который пользуется телевизором, компьютером и смартфоном? Не говоря уже о том, что вечерами просто приходится сидеть без света.

С детства Милану очень хотелось исправить ситуацию и обеспечить электроэнергией своих односельчан, а затем и всех, кто в этом нуждается. Сначала юный изобретатель пробовал использовать для получения энергии установку на основе водяного генератора, но ее элементы оказались слишком дорогими. Как-то школьнику попалась книга знаменитого физика Стивена Хокинга, в которой тот рассуждал о способе создания статической энергии от волос.

Конечно, вы замечали, что при прикосновении к волосам (чужим или собственным), шерсти животных или даже одежде вас порой «бьет» током. Это все потому, что данные субстанции способны вырабатывать статическое электричество. А раз так, то почему бы не превратить их в источники энергии?

Выяснилось, что меланин, пигмент, придающий волосам цвет, не только чувствителен к свету, но и способен выступать в роли электрического проводника. При этом он куда дешевле кремния, который обычно используется в солнечных панелях.

К примеру, в том же Непале полкило волос можно купить всего за 26 долларов, и такие батареи могут служить несколько месяцев, тогда как стандартный набор аккумуляторов для автономного светильника стоит 83 доллара и рассчитан всего на несколько ночей.

Милан вместе с четырьмя друзьями-одноклассниками сделали экспериментальный образец панели, способной производить 18 ватт электроэнергии. Ее вполне хватит, чтобы зарядить мобильник или аккумуляторы светового электроприбора. Стоимость создания такой панели составляет всего 38 долларов. Милан и его друзья планировали запатентовать изобретение, с тем чтобы запустить его в коммерческое производство. Однако, по-видимому, инициативу школьников не восприняли слишком серьезно.

Знали ли о ноу-хау Милана австралийские инженеры?

Правда, надо признаться, принцип работы их изобретения немного другой. Сначала исследователи сжигают волосы, утилизированные из местных парикмахерских, при температуре 240 градусов по Цельсию. В итоге выделяются каркасные структуры из углерода и азота, которые могут найти применение в электронике. В прошлом году той же группой ученых уже были созданы OLED-панели на «волосяной» основе.

В этот раз из полученной в процессе сгорания волос золы сформировали углеродные наноточки размерами менее 10 нанометров, которые посредством специальной технологии равномерно распределили по подложке панелей. Позднее технологию воздействия углеродных наноструктур применили для защиты чувствительных фотоэлементов солнечных ячеек из перовскита. Панели из этого материала обладают более высоким КПД, но при этом он слишком восприимчив к окружающей среде, в частности колебаниям температуры и влажности. Опыты показали, что защитные светоизлучающие «наноостровки» из сожженных волос делают работу солнечных батарей еще более эффективной. Подробно результаты исследования были описаны авторами в журнале Journal of Materials Chemistry A.

Если данная технология будет признана во всем мире, то, возможно, нас ждет настоящая революция в сфере энергоисточников.

Ирина ШЛИОНСКАЯ