Cercetătorii elvețieni au dezvoltat o metodă de utilizare a energiei solare folosind cuarț sintetic pentru a atinge temperaturi de peste 1.000°C pentru procese industriale, oferind o alternativă viabilă la combustibilii fosili în producția de oțel și ciment.
În loc să ardă combustibili fosili pentru a atinge temperaturile necesare pentru topirea oțelului și producerea cimentului, oamenii de știință din Elveția vor să folosească căldura de la soare. Un studiu de proof-of-concept utilizează cuarț sintetic pentru a captura energia solară la temperaturi de peste 1.000°C (1.832°F), demonstrând potențialul acestei metode de a furniza energie curată pentru industriile cu un consum mare de carbon. O lucrare despre această cercetare a fost publicată pe 15 mai în revista Device.
Necesitatea Decarbonizării
„Pentru a combate schimbările climatice, trebuie să decarbonizăm energia în general,” spune autorul principal Emiliano Casati de la ETH Zurich, Elveția. „Oamenii tind să se gândească doar la electricitate ca formă de energie, dar de fapt, aproximativ jumătate din energie este folosită sub formă de căldură.”
Sticla, oțelul, cimentul și ceramica sunt esențiale pentru civilizația modernă, fiind necesare pentru construirea de motoare de mașini până la zgârie-nori. Totuși, fabricarea acestor materiale necesită temperaturi de peste 1.000°C și se bazează în mare măsură pe arderea combustibililor fosili pentru căldură. Aceste industrii reprezintă aproximativ 25% din consumul global de energie. Cercetătorii au explorat o alternativă curată folosind receptoare solare care concentrează și acumulează căldură cu mii de oglinzi care urmăresc soarele. Totuși, această tehnologie are dificultăți în transferul eficient al energiei solare la temperaturi de peste 1.000°C.
Capcana Termică Experimentală
Receptoare Solare Inovatoare
Pentru a crește eficiența receptoarelor solare, Casati s-a orientat spre materiale semitransparente precum cuarțul, care pot capta lumina solară – un fenomen numit efect de capcană termică. Echipa a creat un dispozitiv de captare termică prin atașarea unei tije de cuarț sintetic la un disc de siliciu opac, utilizat ca absorbant de energie. Când au expus dispozitivul la un flux de energie echivalent cu lumina provenită de la 136 de sori, placa absorbantă a atins 1.050°C (1.922°F), în timp ce celălalt capăt al tijei de cuarț a rămas la 600°C (1.112°F).
Progres în Captarea Termică Solară
„Cercetările anterioare au reușit doar să demonstreze efectul de capcană termică până la 170°C (338°F),” spune Casati. „Cercetarea noastră a arătat că captarea termică solară funcționează nu doar la temperaturi scăzute, ci și bine peste 1.000°C. Acest lucru este crucial pentru a demonstra potențialul său în aplicații industriale reale.”
Folosind un model de transfer de căldură, echipa a simulat eficiența captării termice a cuarțului în diferite condiții. Modelul a arătat că captarea termică atinge temperatura țintă la concentrații mai mici cu aceeași performanță sau la o eficiență termică mai mare pentru aceeași concentrație. De exemplu, un receptor de ultimă generație (neprotejat) are o eficiență de 40% la 1.200°C, cu o concentrație de 500 de sori. Receptorul protejat cu 300 mm de cuarț atinge o eficiență de 70% la aceeași temperatură și concentrație. Receptorul neprotejat necesită cel puțin o concentrație de 1.000 de sori pentru o performanță comparabilă.
Direcții Viitoare și Viabilitate Economică
Casati și colegii săi optimizează acum efectul de captare termică și investighează noi aplicații pentru această metodă. Până acum, cercetările lor au fost promițătoare. Explorând alte materiale, cum ar fi diferite fluide și gaze, au reușit să atingă temperaturi și mai mari. Echipa a notat, de asemenea, că abilitatea acestor materiale semitransparente de a absorbi lumina sau radiația nu este limitată doar la radiația solară.
„Problema energiei este o piatră de temelie pentru supraviețuirea societății noastre,” spune Casati. „Energia solară este disponibilă și tehnologia este deja aici. Pentru a motiva cu adevărat adopția industrială, trebuie să demonstrăm viabilitatea economică și avantajele acestei tehnologii la scară largă.”
