בשנת 1954 הדהימה חברת מעבדות בל (Bell labs) את העולם כשהכריזה כי הצליחה לפתח פאנלים סולריים מסיליקון, שהמירו אור לחשמל ביעילות שיא של שישה אחוזים. היו אלה הפאנלים הסולריים הראשונים שיצאו ממעבדות המחקר אל שימושים מעשיים. עד מהרה סוכנות החלל האמריקנית נאס"א אימצה את הטכנולוגיה החדשה, והפאנלים שיחקו תפקיד מפתח בחקר החלל. הם אפשרו ללוויינים לפעול, לחקור ולשדר אותות לכדור הארץ הרבה אחרי שהסוללות שלהם התרוקנו מהמטען החשמלי המקורי שלהן.
מאז ועד היום פאנלים סולריים מזינים אנרגיה לשלל מכשירים, ביניהם כאלו שקשה לספק להם חשמל בדרך אחרת: ממרבית הלוויינים, החלליות ורכבי המחקר החלליים, דרך מחשבוני כיס ומכשירי מדידה שמותקנים על מצופים בלב ים, ועד לכפרים רחוקים ועניים שאינם מחוברים לרשת חשמל לאומית. כעת חוקרים מסין השלימו צעד משמעותי לקראת שימוש בפאנלים סולריים בחזית נוספת: מתחת לפני המים.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
לגלוש אל הרווחה הנפשית
מי שמצביע – מרוויח!
תוסף מלטונין – טוב, רע או לא נורא?
מתאימים צבעים
מאז שנות החמישים של המאה הקודמת יכולותינו בניצול אנרגיית השמש השתפרו מאוד, וכיום היעילות של פאנלים מבוססי סיליקון מתקרבת כבר לכשלושים אחוז: כלומר הם ממירים כמעט שליש מאנרגיית האור שפוגעת בהם לאנרגיה חשמלית. רמת היעילות הזאת מתקרבת יותר ויותר לגבול התיאורטי של הטכנולוגיה, שאי אפשר לעלות מעליו כל עוד משתמשים בסיליקון בלבד.
אחת הבעיות שמקשות לנצל באופן מלא יותר את אנרגיית השמש היא חוסר התאמה בין טווח אורכי הגל שתא סיליקון בולע וממיר לזרם חשמלי לבין טווח אורכי הגל של אור השמש. אור השמש חזק במיוחד באורכי הגל הקצרים, שנמצאים בין הצבע הכחול לירוק. לעומת זאת, תאי הסיליקון של הפאנלים הסולריים יעילים בעיקר באורכי הגל הארוכים, כלומר בצבעים האדומים ובתחום התת-אדום של אור השמש.
חוקרים מסין השלימו צעד משמעותי לקראת שימוש בפאנלים סולריים מתחת לפני המים. אילוסטרציה של השימושים השונים שעשויים להיות לפאנלים כאלו
(איור: Simin Ma, Yunnan University)
כשיורדים מתחת לפני המים, חוסר ההתאמה בין צבעי האור הזמינים לבין טווח הפעילות של תאי הסיליקון מחמיר במידה ניכרת. המים בולעים את אורכי הגל האדומים – כפי שניסח זאת שלום חנוך, "מה שיותר עמוק יותר כחול". בשל כך, לא רק שעוצמת האור הכללית פוחתת מאוד ככל שצוללים עמוק יותר, גם הרכב אורכי הגל שלו – הצבעים – משתנה. כל זה מקשה מאוד להפיק חשמל מתחת למים בעזרת פאנלים סולריים רגילים, המבוססים על סיליקון.
במחקר החדש ניצלו החוקרים טכנולוגיה אחרת, שצומחת במהירות להיות חלופה זולה, פשוטה לייצור ויעילה לתאי הסיליקון. הם השתמשו בפאנלים סולריים המבוססים על גבישים בשם פרובסקיטים (perovskites), שקל למדי לשנות את המבנה הכימי שלהם ולהשפיע כך במידה ניכרת על תכונותיהם. השינוי שהחוקרים עשו הפעם התאים את החומר לקליטת האור שחודר עד לעומק של כעשרה מטרים מתחת לפני הים, ואיפשר לו להמיר ביעילות את אורכי הגל הכחולים של אור השמש לחשמל. ניסויי מעבדה שביצעו הראו שהפאנלים הסולריים החדשים ניצלו את טווח אורכי הגל האופייניים לעומק הזה ביעילות ראויה לציון של למעלה מ-30 אחוז. בחשיפה לאור השמש המלא יעילותם הגיעה לכ-17 אחוז בלבד.
קירור טבעי
אחת הבעיות המרכזיות שמגבילות את השימוש בפאנלים סולריים המבוססים על פרובסקיטים היא חוסר היציבות שלהם. בשונה מתאי סיליקון, שמסוגלים לתפקד היטב במשך יותר מעשרים שנה, הפרובסקיטים נהרסים בקלות ורגישים לתנאי הסביבה. טמפרטורות גבוהות ותאורה חזקה הורסות את המבנה שלהם – והרי אלה הם בדיוק תנאי הסביבה של פאנלים סולריים טיפוסיים. לכן החוקרים רואים פוטנציאל משמעותי לטכנולוגיה הזאת דווקא מתחת לפני המים, שם הטמפרטורה נוחה והתאורה עמומה.
החוקרים השתמשו בפאנלים סולריים המבוססים על גבישים בשם פרובסקיטים, שקל למדי לשנות את המבנה הכימי שלהם ולהשפיע כך על תכונותיהם. אילוסטרציה של תא סולרי מבוסס פרובסקיטים
(איור: Love Employee/Shutterstock)
החוקרים גם הצליחו לחזק את המבנה הגבישי של החומרים ולהגביר את יציבותם לאורך זמן. הם דימו במחקר מואץ תנאים שעלולים לשחוק תאים סולריים שיוצבו בעומק של עשרה מטרים מתחת לפני המים, ומצאו כי הם מסוגלים לתפקד במשך כחמש שנים וחצי. פרק הזמן הזה קצר לעומת משך החיים של תאי הסיליקון, אך הוא עשוי להספיק לשימושים מעשיים רבים.
בעיה מרכזית אחרת נותרה פתוחה עדיין. הפרובסקיטים הללו מורכבים בין השאר מעופרת, חומר רעיל שעלול להישאר זמן רב מאוד בסביבה. לכן חוקרים ברחבי העולם מנסים לפתח פרובסקיטים יעילים שלא יכילו עופרת.
קופצים למים
החוקרים לא הסתפקו בניסויי המעבדה, ויצאו אל ים סין הדרומי. הם הראו שהפאנלים הסולריים שלהם מתפקדים היטב גם בתנאים האמיתיים ששוררים בעומק של עשרה מטרים. החוקר הראשי סיכם: "הצלחנו לעבור מתאים בודדים במעבדה לפאנלים שלמים שפועלים מתחת לפני הים. שילוב הניסויים מחזק את הראיות להיתכנותה של אנרגיה סולרית מתחת לפני המים".
פאנלים סולריים בסביבה מימית
(צילום: zhengzaishuru/Shutterstock)
האור העמום בעומק הזה אומנם הגביל את הזרם החשמלי שהחוקרים הצליחו להפיק, אך הוא עשוי להספיק להפעלת מגוון רחב של מכשירים תת-ימיים בעתיד: גלאים ומכשירי דיגום, מעבדות ניידות שלמות, צוללות בלתי מאוישות, רובוטים, ועוד. היכולות הללו יוכלו לאפשר עריכת מחקרים רציפים וארוכי טווח גם באזורים נידחים מתחת לפני המים, בדומה לאופן בו פאנלים סולריים מספקים את האנרגיה הנחוצה לחקר החלל.
ד"ר יובל רוזנברג, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
