Вместо сжигания ископаемого топлива для выплавки стали и приготовления цемента ученые из Швейцарии хотят использовать солнечное тепло. В исследовании, опубликованном в журнале Device, используется синтетический кварц для улавливания солнечной энергии при температуре свыше 1000°C, что демонстрирует потенциальную роль этого метода в обеспечении чистой энергией углеродоемких производств.
«Для борьбы с изменением климата нам необходимо декарбонизировать энергетику в целом. Люди склонны думать только об электричестве как об энергии, но на самом деле около половины энергии используется в виде тепла», – говорит автор работы Эмилиано Касати из ETH Zurich, Швейцария.
Стекло, сталь, цемент и керамика – основа современной цивилизации, необходимая для строительства всего – от автомобильных двигателей до небоскребов. На эти отрасли приходится около 25% мирового потребления энергии. Однако производство таких материалов требует температуры свыше 1 000 °C и в значительной степени зависит от сжигания ископаемого топлива для получения тепла.
Исследователи изучили альтернативу чистой энергии с помощью солнечных приемников, которые концентрируют и накапливают тепло тысячами зеркал, следящих за солнцем. Однако эта технология не позволяет передавать солнечную энергию при температуре выше 1 000°C.
Чтобы повысить эффективность солнечных приемников, Касати обратился к полупрозрачным материалам, таким как кварц, которые могут задерживать солнечный свет – это явление называется эффектом тепловой ловушки. Команда создала устройство, прикрепив синтетический кварцевый стержень к непрозрачному кремниевому диску в качестве поглотителя энергии. Когда устройство подвергли воздействию потока энергии, эквивалентного свету, исходящему от 136 солнц, температура пластины поглотителя достигла 1 050°C, в то время как другой конец кварцевого стержня оставался при температуре 600°C.
«Предыдущие исследования смогли продемонстрировать эффект тепловой ловушки только до 170°C. Наша работа показала, что солнечная тепловая ловушка работает и при температурах гораздо выше 1 000°C. Это очень важно для демонстрации ее потенциала в реальных промышленных приложениях», – говорит Касати.
Используя модель теплопередачи, команда также смоделировала эффективность теплового улавливания кварца при различных условиях. Тепловая ловушка достигает целевой температуры при более низких концентрациях с той же эффективностью или при более высокой тепловой эффективности при равной концентрации. Например, современный приемник имеет эффективность 40% при температуре 1 200 °C, при концентрации 500 солнц. Приемник, экранированный 300 мм кварцем, достигает 70% эффективности при той же температуре и концентрации. Первый приемник требует концентрации не менее 1 000 солнц для сопоставимой эффективности.
Сейчас Касати и его коллеги оптимизируют эффект тепловой ловушки и изучают новые области применения метода. Исследуя другие материалы, такие как различные жидкости и газы, они смогли достичь еще более высоких температур. Команда также отметила, что способность полупрозрачных материалов поглощать свет или радиацию не ограничивается солнечным излучением.
«Вопрос энергии является краеугольным камнем для выживания нашего общества. Солнечная энергия легко доступна, и технология уже существует. Чтобы действительно стимулировать ее внедрение в промышленность, нужно продемонстрировать экономическую целесообразность и преимущества этой технологии в масштабе», – говорит Касати.
[Фото: Device/Casati et al]