Kuidas Päikesest elektrit välja lüpsta
Läbematu olendina püüab inimene jäljendada ja ise taastoota loodust. Isegi päikest, millel toimuvaid protsesse Maal vallandades loodetakse valmistada kunstlik päike, nagu seda püütakse teha termotuumareaktorites. Loodusliku Päikese, millelt kogu meie energia tuleb, kiirgusest elektri tootmiseks on kaks põhilist võimalust.
„Meil võib võtta viis aastat ettevalmistamist, ja siis saame teha nädalakese tööd,” muheleb Hans-Gerd Dibowski ja näitab suurt peeglite süsteemi, mis koondavad õuest päikesekiirguse laboris asuvatele mõõteseadmetele.
Dibowski on Saksamaa atmosfääri ja avakosmose keskuse (DLR) tehnilise termodünaamika instituudi päikeseuuringute osakonna teadlane, kes uurib koos kolleegidega, kuidas päikesekiirgust tõhusamalt kasutades saada tulevikuenergeetikas hädavajalikku energiakandjat vesinikku, või otse elektrit toota.
Kölnis asuva päikesekiirguse labori platsil püüab päikesekiirguse kinni esmalt mõneteist-kümne meetrise küljepikkusega ruudukujuline tasapeegel, seejärel koondab kiirguse sadakonna meetri kaugusel asuv tasapinnalistest peeglielementidest ehitatud sfääriline peegel. Päikeseahjuks nimetatav 25-kilovatine seade annab teadlastele ja inseneridele Päikeselt lähtuva energia, mille kasutamise võimalusi uuritakse laboris. Kui päikest parajasti näha pole, saab uurimistööle rakendada ka kunstliku valgusallika.
Suuremas mastaabis kasutatakse DLR-i teadlaste teavet Lõuna-Hispaanias Plataforma Solar de Almeria päikesejaamas. Lähem eesmärk on edendada tehnoloogiat, nõnda et kontsentreeritud päikeseenergiast saaks elektrit praeguse 15–18 eurosendi asemel kaheksa sendiga kilovatt-tunni kohta. Kaugemas tulevikus on eesmärgiks rakendada Päikeselt saadav soojusenergia kütuste, näiteks vesiniku tootmiseks.
Päikeseenergiat koondatakse päikesetornidesse, nagu Jüli-chisse ehitatud katsetorn, mis valmis augustis, või paraboolsete peeglitega, kus soojendatakse väikest soojusmootorit (Stirlingi mootor) nagu Hispaanias. 60-meetrise torni tipus olev 22-ruutmeetrine Jülichi vastuvõtja koondab päikesekiirguse 2000 liigutatava ning 1,8 hektarit katva peegli abil. Tulemusena hakkab õhk tornis alt üles liikuma ning kuumeneb 700 kraadini. Kuum vesi toodab auru, see pööritab turbiini, mis on ühendatud elektrigeneraatoriga. Kokku moodustab see 1,5-megavatise elektrijaama, mis ei tooda kübetki heitgaase. Muidugi ei paista päike Jülichis nii heldelt nagu Põhja-Aafrikas, kuid torni ülesanne pole niivõrd elektri tootmine, kui selle tootmisviisi tõhustamine.
Sel suvel leppisid kaksteist juhtivat tehnoloogia- ja finantskorporatsiooni kokku, et hakatakse edendama tehnoloogiat, mis viib päikeseenergia tootmisele Lõuna-Euroopas, Põhja-Aafrikas ja Lähis-Idas. DESERTEC hakkab kasutama Maa päikesevööndis toodetud elektrit ja suunama seda ka Euroopasse. Samal ajal suureneb tuuleenergia osa ja üha väheneb tuuma-energia, gaasi ja söe osakaal (vt joonis).
Kallid päikesepatareid
Suurenemas, kuid mitte nii olulisel määral, on ka otse päikesekiirgusest elektri tootmine.
Päikesepatareid ehk täpsema nimega fotogalvaanilised elemendid suudavad muundada päikesekiirguse otse elektriks. Neid on maailmas juba suhteliselt laialt kasutusel, kuid neil on ka üks häda – kõrge elektrienergia hind. Lootused on rajatud üliõhukestele kiledele, mida oleks odavam toota ja mis töötaksid ka tõhusamalt. Helmholtzi ühingu Berliinis asuvas materjalide ja energia keskuses töötatakse välja selliseid kilesid ning saadud materjalide omadusi uuritakse hiiglasliku sünkrotroni BESSY kiirguse all. Siin kiirendatakse elektronid peaaegu valguse kiiruseni, kus nad hakkavad eriliselt kiirgama. Selle kiirgusega kiiritataksegi uusi materjale, aga ka näiteks arheoloogilisi leide või kuldesemeid, et määrata iidsete esemete vanus või allikad, kust kuld pärineb.
BESSY teadlane Godehard Wüstefeld instrueerib meid põhjalikult, enne kui võtame ette matka mööda sünkrotroni rõngana ümbritsevat rõdu. On ka põhjust, sest varsti peab kõlama häirekell, mis teatab kiirendi seiskamisest hooldustöödeks.
Sünkrotronkiirgus ei ole ainus, mille abil keskuses uuritakse uusi kilematerjale, mis tõhusalt päikesekiirguse elektriks muundaksid. Kilesid töödeldakse suureenergialiste laservälgetega ning registreeritakse toimuvad muutused. Neid hoitakse kõrges vaakumis ja uuritakse EPR-spektreid, et näha, kuidas käituvad kilede põhiosise räni sisse sokutatud lisandid.
Odavale kandjale, näiteks klaasile kantud õhukesed kristallilised ränikiled ühendavad traditsioonilise ränitehnoloogia hüved – kõrge tootlikkuse ja energiatõhususe – võimalusega säästa materjalikulu. Kuid selliste kilede tootmine on veel aega-nõudev ja keeruline. Kiled saavutatakse näiteks laseri stimuleeritud faasikristalliseerimise teel, kus 50–300 nanomeetri paksune kile kasvatatakse suureteralisele, kolmemikromeetrilistest rakukestest koosnevale seemnekihile. Kristalliseerumisele aitab kaasa silmale nähtamatult ultravioletne ja ülienergilistest välgetest koosnev eksimerlaseri kiir.
Kilesid sadestatakse ka plasmaolekus viibivas keskkonnas või siis metallkandjale, näiteks alumiiniumile.
