Az eddigi technológiától gyökeresen eltérő elven, a fotoszintézist utánzó - üzemanyagként hasznosítható hidrogént előállító - napelemekkel szüntetnék meg amerikai kutatók az emberiség energiaínségét.
...
A napsugárzás segítségével termelt hidrogéngáz lehet a megoldás - summázta az általa vezetett tudományos konzorcium kutatási céljait a minap a Nature című folyóirat hasábjain Harry Gray vegyészprofesszor, az amerikai Caltech (California Institute of Technology) kémiai laboratóriumának vezetője. Mindezt a Föld energiaellátásán dolgozó Powering the Planet elnevezésű program keretében, amelyben a kaliforniai tudósfellegvár mellett a Massachussets Institute of Technology (MIT) elitkémikusai is csatasorba álltak egy új típusú napelem (ahogy nevezik: napcsapda) fejlesztésére.
"Köztudott, hogy a napsugárzást kémiai úton átalakító növényi fotoszintézisnek köszönhető a Föld fosszilisenergia-készlete" - vezette fel mondandóját Harry Atwater, a Caltech másik társigazgatója a négy éve életre hívott program részeredményeiről beszámoló Nature-összeállításban. Ez a készlet azonban kimerülőben van, míg a napsugárzás korlátlanul rendelkezésre áll; ezt eddig a Nap hőjét elektromos energiává transzformáló napelemekkel vagy az éltető fényt hőenergiává alakító napkollektorokkal próbálták munkára fogni. Atwater és társai azonban nem ezek továbbfejlesztésén, hanem a napfény hatására vízből és szén-dioxidból oxigént és cukrot előállító növényi fotoszintézis lemásolásán vagy legalábbis utánzásán ügyködnek. Annak ellenére is, hogy a zöld energiaátalakítás hatásfoka tudvalevően alacsony, mindössze 3-6 százalékos.
Pusztán "számszakilag" nézve ennek a munkának nincs sok értelme, hiszen enynyit már az 1954-ben az amerikai Bell Laboratóriumban legyártott első - zsilettpengényi szilíciumlapocskákból álló, éttermi tálca méretű - napelem is tudott. A berendezés elve azon a - Russel Ohl amerikai vegyészmérnök által nem sokkal korábban kísérletileg igazolt - jelenségen alapult, hogy a szilíciumból napsugárzás hatására nagy mennyiségű elektron szabadul fel. A napelem az 1970-es évek első felének olajválságáig tudományos kuriózumnak számított, ám az azóta bekövetkezett fejlesztések nyomán már mindennaposak a 15-26 százalékos hatásfokra képes "szolárpanelek".
"A szilícium mellett másféle vegyületek is alkalmasak félvezetőként a fotoelektronikus átalakításra" - kezd a legújabb, már kapható napelemek ismertetésébe Mojzes Imre, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem elektronikai technológia tanszékének professzora. A jóval nagyobb hatásfokot garantáló, a napsugárzás hatására elektronforrássá váló gallium-arzenid vagy a cink-kadmium-szelenid anyagú napelemekkel azonban több gond is akad. Az említett két vegyület igen drága, ráadásul mérgező is. De még a sokkal olcsóbb, szilíciumból készült modulok - a gyártási, forgalmazási adatokat is számba vevő - energiamérlege is csak 8 évi folyamatos használat után lesz pozitív.
Ezeket a problémákat küszöbölnék ki azok a - szakértők szerint már a következő években piacra kerülő - új generációs áramfejlesztők, amelyek felülete s így az általuk megtermelhető elektromosság mennyisége sokszorosa lehet a mostaniakénak. Erre a nanotechnológia fejlődése révén nyílt lehetőség, hiszen már ipari mennyiségben előállíthatóak olyan parányi szilíciumpálcikák, amelyek "csokorba kötve" leválthatják a napelemek szilícium-lapkáit. Energiatermelésre egyébként már tökéletesen megfelelnek a mai - legalább három évtizedes élettartamra tervezett - napelemmodulok is. A magyar Energia Klub számításai szerint ezekből - az ország területének 0,02 százalékát kitevő - mintegy 173 négyzetkilométernyi az egész ország számára elegendő áramot termelne. Ehhez képest összesen még egy négyzetkilométernyi napelem sem működik Magyarországon.
Még várat magára
A Powering the Planet programban dolgozó tudósok azonban nem áramot, hanem a jövő üzemanyagának kikiáltott, erőművekben és gépjárművekben egyaránt felhasználható hidrogént terveznek előállítani berendezésükkel. Ennek nagy előnye, hogy a többnyire szobahőmérsékleten optimális működésű napelemekkel szemben - a fotoszintézishez hasonlóan - szélsőséges hőmérsékleti körülmények között is megbízhatóan működne. A kutatók célja annak a részfolyamatnak a reprodukálása, amikor a növények hidrogénre és oxigénre bontják a vizet a hidrogenáz enzim segítségével. "E rendszer lemásolására persze esélyünk sincs, csak utánozhatjuk" - így Atwater. Vagyis nem biokémiai úton, hanem a napelemek által termelt elektromos árammal bontanák alkotóelemeire a vizet.
A víz bontása már megy is. John Turner, a coloradói Goldenban található Megújuló Energiaforrások Laboratórium vegyészprofesszora például méregdrága platinaelektródákkal már tíz éve elő tudott állítani a vázolt módszerrel hidrogéngázt. Méghozzá a fotoszintézisnél négyszer jobb, több mint 12 százalékos hatásfokkal. Csakhogy az ő készüléke mindössze 20 órányi működésre volt képes. A ruténiummal és más ritka fémekkel, illetve a nanotechnológia sztármatériájával, a titánium-dioxiddal (HVG, 2008. február 2.) ennél jóval hosszabb élettartamú vízbontókat is sikerült létrehozni, ám egyetlen kilogramm - meglehetősen körülményesen tárolható - hidrogén árát még így sem sikerült 13 dollár alá szorítani. (A hidrogénüzemű tesztautók fogyasztása jelenleg 4 kilogramm száz kilométerenként, vagyis a napelemes "nafta" ma négyszer drágább, mint a benzin Európában.)
Ráadásul a víz bontásához használni kívánt napenergia árammá alakításával sincs még minden rendben. Míg a hagyományos napelemek esetében a megfelelő feszültségű áram kinyerése, valamint a csúcsteljesítményhez szükséges optimális hőmérséklet biztosítása jelent ma is problémát, az új típusú vízbontó elemeknél az oxidáció okozza az egyik gondot, a vízzel érintkező elektródák ugyanis nagyon gyorsan korrodálódnak. De a napfény hatására - konyhanyelven fogalmazva - túlságosan sok áram is fejlődhet. Az amerikai programhoz csatlakozó Kazunari Domen, a tokiói egyetem fizikaprofesszora épp azon dolgozik (még inkább csak elméletben), hogy ezt az egyébként romboló hatású energiát is fel lehessen használni. Nem véletlen, hogy a tudóscsoport által csak a következő évtizedre ígért kézzelfogható eredmények kapcsán David Nocera, az MIT kémiai intézetének vezetője úgy ironizált: "Az evolúció több mint 2 milliárd éves fejlesztői munkával tökéletesítette a fotoszintézist, ezért még mi is kérünk pár évet."
(HVG)
