Νεοζηλανδοί ερευνητές εμπνέονται από τα φυτά και το αίμα και δημιουργούν χρωστικές ουσίες που έχουν τη δυνατότητα να μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό θα ανοίξει το δρόμο για να κατασκευαστούν ηλιακές κυψέλες που θα είναι πολύ φτηνότερες από τις σημερινές και θα μπορούν, μάλιστα, να λειτουργούν και με συννεφιά.

Εμπνευσμένοι από το ίδιο το ηλιακό συγκρότημα παραγωγής ενέργειας της φύσης - δηλαδή τα φύλλα των φυτών -, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Massey της Νέας Ζηλανδίας πειραματίζονται με ένα νέο τύπο ηλιακών κυψελών, που μπορεί να κάνει την ηλιακή ενέργεια πολύ ελκυστικότερη οικονομικά. Ο Wayne Campbell και η ερευνητική του ομάδα κατάφεραν να αναπτύξουν μια χρωστική που μπορεί να μετατρέπει το ηλιακό φως σε ηλεκτρισμό με ένα πολύ αποτελεσματικό και πολύ φτηνό τρόπο.
Οι συνθετικές χρωστικές έχουν ως βάση τους την πορφυρίνη, που μοιάζει με τη χλωροφύλλη, η οποία δίνει στα φύλλα το πράσινο χώμα τους και μετατρέπει την ενέργεια του φωτός σε χημική ενέργεια. Η πορφυρίνη συμμετέχει σε μια σειρά βιολογικών διεργασιών, για παράδειγμα είναι συστατικό της αιμογλοβίνης, της ουσίας που μεταφέρει το οξυγόνο στο αίμα.

Λειτουργούν και με συννεφιά
Οι ερευνητές υπολογίζουν ότι οι νέοι τύποι ηλιακών κυψελών θα μπορούν να κατασκευάζονται στο 1/10 του κόστους των κλασσικών ηλιακών κυψελών, που βασίζονται στο ημιαγώγιμο υλικό πυρίτιο.
Στη φύση υπάρχουν μεγάλες ποσότητες πυριτίου, αλλά η παραγωγή του σε μορφή τόσο καθαρή σαν αυτή που απαιτείται για τις ηλιακές κυψέλες, είναι πολύ δαπανηρή και ενεργοβόρος. Στην πραγματικότητα, πολλές από τις πρώτες ηλιακές κυψέλες δεν πρόλαβαν ποτέ να παραγάγουν τόση ενέργεια όση καταναλώθηκε για την κατασκευή τους.
Τις τελευταίες δεκαετίες, βέβαια, οι κυψέλες από πυρίτιο έχουν γίνει πιο αποτελεσματικές, παραμένουν ωστόσο ακόμη πολύ ακριβές, γι’ αυτό και είναι δύσκολο να συναγωνιστούν την πυρηνική ενέργεια και τα ορυκτά καύσιμα. Ως αποτέλεσμα, η ηλιακή ενέργεια καλύπτει μόνο το 0,04% της παγκόσμιας παραγωγής ενέργειας.
Οι ερευνητές αναζητούν λοιπόν νέες τεχνολογίες που θα μπορέσουν να κάνουν την ηλιακή ενέργεια φτηνότερη και ανταγωνιστικότερη, κι εδώ ακριβώς έρχονται στο προσκήνιο οι χρωστικές ουσίες. Θα χρησιμοποιηθούν στις λεγόμενες ηλιακές κυψέλες Grätzel, που δε βασίζονται στο πυρίτιο. Οι εν λόγω κυψέλες δεν είναι μόνο φτηνότερες στην κατασκευή, αλλά λειτουργούν επίσης ακόμη και με κακοκαιρία. Οι παραδοσιακές κυψέλες λειτουργούν μόνο διά της άμεσης έκθεσης στο ηλιακό φως. Αν έχει συννεφιά, ή αν η κυψέλη βρίσκεται σε σκιά, το φως δεν είναι αρκετό για να ξεκινήσει η διαδικασία παραγωγής ηλεκτρισμού. Μια κυψέλη Grätzel είναι κατασκευασμένη εντελώς διαφορετικά, γι’ αυτό και λειτουργεί ακόμη και με συννεφιά.
Σε μια κυψέλη Grätzel, το φως μετατρέπεται σε ρεύμα μέσω χρωστικών μορίων, τα οποία προσδένονται σε νανοσωματίδια διοξειδίου του τιτανίου. Πρόκειται για την ίδια ουσία που δίνει σε πολλές αντιηλιακές κρέμες την ικανότητα ανάκλασης της ηλιακής ακτινοβολίας, αλλά και το λευκό τους χρώμα. Το διοξείδιο του τιτανίου είναι φτηνό στην παραγωγή του.

Παράθυρα με ηλιακές κυψέλες
Όταν ειδικά χρωστικά μόρια σε μια κυψέλη Grätzel δέχονται ηλιακό φως, απελευθερώνουν ηλεκτρόνια, τα οποία περνούν μέσα από τα νανοσωματίδια του διοξειδίου του τιτανίου και, εν συνεχεία, καταλήγουν στο ηλεκτρικό κύκλωμα.
Οι κυψέλες Grätzel πήραν το όνομά τους από τον καθηγητή Michael Grätzel του Πολυτεχνείου της Λοζάννης στην Ελβετία, ο οποίος εφηύρε αυτές τις ηλιακές κυψέλες τη δεκαετία τού 1990. Τότε δεν είχε θεωρηθεί αξιόπιστη εναλλακτική στις κυψέλες πυριτίου, κι αυτό οφειλόταν κυρίως στο γεγονός ότι ήταν δύσκολο να τις κάνουν αρκετά σταθερές.
Τα μόρια των χρωστικών ουσιών διασπώνται πολύ γρήγορα και τα αποτελεσματικότερα μόρια - μέχρι σήμερα τουλάχιστον - είναι αυτά που προέρχονται από το μέταλλο ρουθήνιο, το οποίο όμως είναι πολύ ακριβό. Η πρώτη παράδοση 100.000 ηλιακών κυψελών με ρουθήνιο έγινε προσφάτως στη Νότια Αφρική, οπότε η εμπορική εκμετάλλευση έχει ήδη αρχίσει. Ωστόσο, ο Michael Grätzel δήλωσε: «Δεν έχω καμμιά αμφιβολία ότι το μέλλον ανήκει στις νέες χρωστικές οργανικού τύπου,» Κατέχει, άλλωστε, και ο ίδιος μέρος της πατέντας για τις νεοζηλανδικές χρωστικές ουσίες, αλλά τονίζει ότι υπάρχουν και άλλες ομάδες ερευνητών ανά τον κόσμο που ασχολούνται με την ανάπτυξη οργανικών χρωστικών ουσιών για ηλιακές κυψέλες.
Η αγορά για τη νέα γενιά κυψελών εκτιμάται ότι είναι τεράστια, ειδικά αν αναπτυχθούν μόρια που θα εκμεταλλεύονται το υπέρυθρο τμήμα της ηλιακής ακτινοβολίας. Σε αυτή την περίπτωση, θα μπορεί κανείς να φανταστεί ακόμη και παράθυρα με ηλιακές κυψέλες, που θα είναι διαπερατές από το ορατό φως, αλλά που θα μπορούν να παράγουν ηλεκτρισμό από την ενέργεια την οποία κανονικά αντιλαμβανόμαστε ως θερμότητα.
Οι ερευνητές ελπίζουν, επίσης, να μπορέσουν να κατασκευάσουν ηλιακά πάνελ για στέγες και τοίχους που θα είναι πράσινα ή άλλου χρώματος και που έτσι θα είναι πιο καλαίσθητα από τα παραδοσιακά μαύρα ηλιακά πάνελ πυριτίου.

*ΣΕ ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΤΟ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ 'SCIENCE ILLUSTRATED'