חוקרים מסין גילו כי ציפוי הקולטים בגרפן מאפשר לייצר חשמל כשמים מטפטפים על הלוחות הסולריים
גשם הוא דבר חיוני ונחוץ לפעולתם של לוחות סולריים לייצור חשמל, משום שהוא מנקה אותם מלכלוך ואבק שמצטבר עליהם, מסתיר מהם את אור השמש ומפחית את יעילותם. מצד שני, כשיורד גשם יש גם עננים, עוצמת אור השמש המגיעה אל הלוחות הסולריים נמוכה, והם בדרך כלל אינם מייצרים חשמל. צוותים של מדענים בסין פיתחו תאים סולריים שיכולים לייצר חשמל גם כתוצאה מפגיעה של טיפות גשם. זה קורה באמצעות שכבה דקיקה ושקופה של גרפן.
חומר הפלא
גרפן (Graphene) הוא מולקולה ייחודית של פחמן. לאטום פחמן יש ארבעה אלקטרונים חופשיים, מה שאומר שהוא יכול להיקשר לעד ארבעה אטומים אחרים. אם כל האטומים האלה גם הם אטומי פחמן, והם מסודרים כך שכל אחד מהם רחוק ככל האפשר מהאחר, מתקבל מבנה של ארבעון (טטרהדר) – מעין פירמידה שבסיסה משולש. גביש פחמן המורכב מארבעונים כאלה, הוא היהלום.
אם רק שלושה מהאלקטרונים החופשיים נקשרים לאטומי פחמן אחרים, מתקבלת שכבה שטוחה של משושים. האלקטרון החופשי בכל אטום משמש לקישור חלש יותר בין השכבות, והחומר המתקבל הוא גרפיט. זה חומר רך יחסית, המצוי למשל בעפרונות, וכאשר מעבירים אותו על נייר, שכבות אחדות נפרדות ממנו ונותרות על הנייר – כך העיפרון כותב.
הגרפן הוא שכבה אחת ויחידה של גרפיט. כלומר, שכבת משושים שעוביה כגודלו של אטום פחמן יחיד. זה חומר חזק מאוד מבחינה מכאנית, ובעל תכונות קוונטיות ייחודיות, בזכות האלקטרונים החופשיים ה"מקפצים" בחופשיות בין האטומים. גרפן נחשב לבעל פוטנציאל רב בתחומי ההנדסה והננו-טכנונולוגיה. בשנת 2010 הוענק פרס נובל בפיזיקה לאנדרה גיים (Geim ) וקונסטנטין נובוסלוב (Novoselov) שהצליחו לייצר ולחקור דוגמאות גדולות של החומר.
שכבה אחת של אטומי פחמן מסודרים במשושים. גרפן | איור: Shutterstock
חשמל מטיפות מים
היכולת להפיק חשמל בגשם היורד על לוחות סולריים, נובעת מהאלקטרונים החופשיים בשכבת הגרפן, ומהמלחים שבמים. המלח המומס במים מתפרק ליונים (אטומים טעונים) המרכיבים אותו: נתרן בעל מטען חיובי (Na+) וכלור טעון שלילית (Cl-). כשהטיפה נוגעת בגרפן, היונים החיוביים נמשכים לכיוון האלקטרונים החופשיים, אך אינם מגיעים עד אליהם משום שהם מומסים בתוך המים. הריכוז של יונים חיוביים בטיפה ושל אלקטרונים בגרפן יוצר מעין קבל המייצר מתח חשמלי.
בנוסף, הטיפה עצמה מחליקה על שכבת הגרפן במורד הלוח הסולרי, ולכן היא אינה עגולה, אלא עבה יותר בכיוון התנועה ודקה יותר בחלקה האחורי. כך נוצרים הפרשי מתחים בין החלק הקדמי, שם מרוכזים רוב היונים החיוביים, לחלק האחורי, וזה יוצר זרם לאורך הטיפה. עצם התנועה של הטיפה לאורך הגרפן גורמת לתנועה של האלקטרונים החופשיים בעקבות היוניים החיוביים, וכך יוצרת זרם חשמלי בשכבת הפחמן.
הוכחת היתכנות
במחקר שפורסם בכתב העת Angewandte Chemie החוקרים מאוניברסיטת יונאן ומהאוניברסיטה הימית בקינגדאו לא השתמשו במי גשם אלא במים המכילים ריכוזי מלח שונים, וטפטפו בצורות שונות ובקצב משתנה על שכבת הגרפן שעל התאים הסולריים. במי גשם ריכוז המלחים נמוך מאוד, והחוקרים אינם מדווחים כמה חשמל אפשר יהיה להפיק מהם בשיטה הזו.
לדברי החוקרים, הממצאים הם הוכחת היתכנות לטכנולוגיה שתאפשר לייצר חשמל מתאים סולאריים גם במזג אוויר גשום. עם זאת, עדיין לא ברור אם הטכנולוגיה הזו אפילו מתקרבת להצדקה כלכלית: כלומר, האם כמות החשמל שהיא מאפשרת לייצר ביום גשום יכולה לפצות אפילו במידת-מה על ההפסד מכך שלוחות סולריים רגילים אינם מייצרים חשמל בתנאים כאלה. בשקלול יש להביא כמובן גם את עלות הציפוי של הלוחות בגרפן, עלות התחזוקה של לוחות כאלה, וגם את המיקום הגיאוגרפי של הלוחות. מן הסתם אין טעם להתקין לוחות המייצרים חשמל גם בגשם באזורים צחיחים.
נראה שהחזון של לוחות סולריים המייצרים חשמל בכל מזג אוויר עדיין רחוק מהגשמה, אבל המחקר הסיני אולי עושה צעד ראשון קטן בכיוון הזה, ואולי לטכנולוגיה שלהם יהיו שימושים אחרים בכלל – למשל ייצור חשמל בכלי שיט.
