Al terrat d'un edifici, els panells generen electricitat gràcies a la fredor del cel. Però, aquest fred no és a l'aire que hi al voltant de l'edifici donat que la nit és càlida. Més aviat, els panells aprofiten el fred llunyà de l'espai profund.
Si bés és cert que aquesta tecnologia encara no està disponible, s'ha demostrat que utilitzant directament l'energia generada per el fred de l'univers, es podria refredar l'aigua 5 ºC del edificies durant el dia sense electricitat i il·luminar la nit sense cables ni bateries. A mesura que questa tecnologia millora, es veurà possible dipossar de panells solars que funcionen tant de nit com de dia.
Des que els primers humans van aprendre a aprofitar el foc, la gent l'ha gestionatc a la seva manera. Per exemple, avui en dia es possible gestinar la calor de la combustió del gas, la fissió nuclear i altres fonts en energia útil.
Amb tanta energia disponible a partir de la calor, s'ha ignorat una altra font d'energia: el fred. La fredor de l'espai profund és un recurs termodinàmic, i en gran part sense explotar. Sí, està lluny, però la distància no impedeix el seu ús, sobretot si es te en compte el fred que hi ha a l'espai a uns 3 K.
En general, no hi ha conscièncias d'aquesta fredor perquè les coses que ens envolten, inclosa la llum solar i la radiació que rebota de l'atmosfera, son per escalfar. Però fa aproximadament una dècada, un grup de recerca de Stanford va dissenyar un material que és notablement eficient per enviar calor a aquest dipòsit de fred alhora que evita l'escalfament tant del sol com del medi ambient. El material és tan eficient, que es pot refredar per sota de la temperatura del seu entorn, fins i tot quan està sota la llum solar.
Llavors, quan la calor pot fluir espontàniament d'un objecte de la Terra a l'univers, de la mateixa manera que l'aigua flueix des de les terres més altes cap al mar això, dóna l'oportunitat de recollir energia útil.
En el cas de l'aigua en moviment, una turbina recull l'energia per generar electricitat. En el cas del flux de calor de la Terra a l'espai profund, hi ha un parell de nous conceptes dels quals s'està esbrinant el millor mecanisme.
Primer cal entendre el paper que juga la radiació en el manteniment de l'equilibri energètic de la Terra. La radiació és un dels tres mecanismes de transferència de calor. Els altres dos són la conducció de calor i la convecció de calor. La primera sorgeix d'àtoms que vibren entre si com passa habitualment en un sòlid; el segon sorgeix dels moviments de les partícules com són les molècules de gas a l'aire. Tant la conducció com la convecció requereixen un medi a través del qual sigui possible moure la calor. La radiació, viatge en forma d'ones electromagnètiques per tant, no requereix de l'aire per tant, pot recórrer una llarga distància.
La radiació solar transporta la calor del Sol a la superfície de la Terra. En un dia assolellat, es possible sentir com el cos s'escalfa mentre absorbeix la llum solar. Els objectes terrestres també irradien calor per exemple, en una nit serana es pot sentir com el cos humà es refreda de maenra que part d'aquest refredament és calor que s'irradia a l'espai.
Si bé la radiació entrant s'ha convertit en un pilar per a les energies renovables en la forma d'energia solar, la radiació sortint s'ha mantingut en gran part sense aprofitar per a la generació d'energia. Aquesta radiació que surt envia la calor d'un objecte de la Terra a l'espai exterior el que vindria a ser, un dipòsit amb una capacitat pràcticament il·limitada.
Es pot explotar la diferència de temperatura convertint-la en electricitat mitjançant la generació d'energia termoelèctrica. El principi de funcionament d'un generador termoelèctric és basa en l' efecte Seebeck , que descriu com un material desenvolupa una diferència de tensió en resposta a un diferencial de temperatura a través d'ell. Una manera possible de fer-ho es gràcies ala manipulació l'efecte Seebeck en semiconductors mitjançant l'addició controlada d'impureses, o dopants.
Els dopants poden fer que els seus semiconductors host amb semiconductors de tipus n, carreguin negativament gràcies al modviment dels electrons, o els de tipus p, ho facin positivament gràcies als seus forats. En qualsevol cas, quan aquests semiconductors uneixen un diferencial de temperatura, els electrons o els forats es congreguen prop de l'extrem més fred. Així, el tipus n desenvolupa un potencial de tensió positiu cap al costat calent, mentre que el tipus p desenvolupa un potencial de tensió negatiu en la mateixa direcció.
Un generador termoelèctric (TEG) consisteix en parells alterns de semiconductors de tipus n i p encadenats de manera que la tensió obtinguda a partir del diferencial de temperatura positiu en un tipus n s'afegeixi a la tensió obtinguda a partir del diferencial de temperatura negatiu en un tipus p. En connectar un TEG entre un dipòsit calent i un de fred, el diferencial de calor es captura com a electricitat.
Amb l'ambient com un dipòsit calent, es podria utilitzar la fredor de l'espai profund per crear el dipòsit fred. Per fer-ho, cal enviar calor a l'espai mitjançant el que s'anomena emissor, que es refreda a una temperatura inferior a la del seu entorn. Aquest és un fenomen conegut com a refredament radiatiu. Aleshores, un generador termoelèctric situat entre l'emissor de fred i l'entorn ambiental ara més calent pot produir electricitat.
La feina de l'emissor és irradiar la calor més enllà de l'atmosfera terrestre. Però l'atmosfera només és transparent als fotons de determinades longituds d'ona. Dins del rang mitjà d'infraroig, que és on es concentra la radiació tèrmica dels objectes terrestres típics, la banda de transmissió atmosfèrica més aplicable es troba en el rang de longitud d'ona de 8 a 13 µm.
Fins i tot alguns emissors simples envien radiació de calor a aquestes longituds d'ona. Per exemple, si està aïllada de l'entorn ambiental, la pintura negra emet prou radiació dins d'aquesta banda per refredar una superfície 10 ºC quan s'exposa al cel nocturn.
En el rang de longitud d'ona fora de 8 a 13 µm, l'atmosfera rebota una substancial quantitat de radiació. Durant el dia, la radiació solar entra de manera què, els dissenys d'emissors més avançats tenen com a objectiu evitar la radiació entrant de l'atmosfera i la llum solar assegurant-se que absorbeixen i emeten només dins de la finestra de transparència. La idea d'utilitzar un emissor selectiu de longitud d'ona per al refredament radiatiu es remunta al treball pioner de Claes-Göran Granqvist a la dècada de 1980. De la mateixa manera que un enginyer dissenya una antena de ràdio amb una forma i una mida específiques per transmetre sobre una determinada longitud d'ona en una determinada direcció, es possible dissenyar un emissor utilitzant una biblioteca de materials, cadascun amb una forma i mida específica, per ajustar la banda de longitud d'ona i direcció de la radiació de calor. Com millor es faci, més calor expulsarà l'emissor a l'espai i més fred pot arribar a ser l'emissor.
El vidre és un gran material per a un emissor. Les seves vibracions atòmiques s'acoblen fortament a la radiació al voltant de la longitud d'ona de 10 μm, forçant el material a emetre gran part de la seva radiació de calor dins de la finestra de transmissió. Només cal tocar una finestra de vidre a la nit i es pot sentir aquest refredament. Afegir una pel·lícula metàl·lica per ajudar a reflectir la radiació cap al cel fa que les emissions i el refredament siguin encara més efectius.
Quan un emissor irradia calor a una longitud d'ona dins de la finestra de transmissió atmosfèrica, es refreda, creant un dipòsit de fred. Un generador termoelèctric pot utilitzar l'aire ambiental com a costat calent i l'emissor com a costat fred per produir electricitat. CHRIS PHILPOTFa una dècada, es va crear el primer material de refrigeració radiativa que funciona durant el dia, refredant-se de manera eficient per sota de la temperatura de l'aire ambient, fins i tot a la llum solar directa. Està construït a partir de pel·lícules primes dopades d'òxid d'hafni (HfO2 ) i vidre a la part superior d'una capa reflectant de plata. En seleccionar acuradament els gruixos de cada capa de la pel·lícula, es va poder fer que aquest material reflectís gairebé completament la radiació solar i alhora enviés calor a través de la finestra de transmissió atmosfèrica.
Ja exiteix un material per esser comercialitzat per una aplicació que permet refrigerar estructures sense utilitzar electricitat, reduint la necessitat de climatitzar l'edifici. L'spin-off SkyCool Systems, ven panells de refrigeració passius que es poden utilitzar com a sistema de refrigeració autònom o com a complement als sistemes d'aire condicionat i refrigeració existents.
En una prova de concepte de 2017, replicada el novembre de 2023, l'emissor és una placa d'alumini pintada de negre dins d'una cambra d'aïllament la coberta de plàstic de la qual és transparent a la radiació infraroja mitjana. Un generador termoelèctric inserit a la part inferior de la cambra utilitza l'emissor com a font de fred i el suport metàl·lic com a font de calor per alimentar un LED. Font: SID ASSAWAWORRARIT/UNIVERSITAT DE STANFORD
La recollida d'energia utilitzant el fred de l'univers encara està en desenvolupament. Com a primera prova de concepte, es va fer un emissor senzill amb pintura negra sobre una placa d'alumini. Es va tancar l'emissor en una caixa d'escuma amb una coberta de pel·lícula de polietilè transparent; això va permetre que l'emissor irradiés calor a l'espai mentre l'aïllava de la calor de l'entorn.
Després, es va fer un petit forat a la part inferior de la caixa d'escuma i es va connectar un generador termoelèctric a l'emissor. Per al costat calent del generador, es va connectar un dissipador de calor que va recollir de manera passiva la calor de l'entorn proper.
Per evitar haver de lluitar amb la llum solar, es va provar aquesta configuració a la nit de manera què va generar 25 mW de potència per metre quadrat de la superfície de l'emissor i va encendre un LED.
Aquest sistema s'assembla a un panell solar, així que es va començar a plantejar les possibilitats de combinar les dues tecnologies per a un dispositiu que genera energia dia i nit. Les cèl·lules solars de silici comercials solen tenir una capa protectora superior feta de vidre de sílice, que transmet una quantitat important de radiació tèrmica a les freqüències necessàries per travessar l'atmosfera. Utilitzant aquest vidre com a emissor, amb un aïllament i un generador termoelèctric inserit entre el vidre i la cèl·lula solar, es van optenirr 50 mW per metre quadrat de generació d'electricitat nocturna, sense interrompre el funcionament diürn de la fotovoltaica.
Si bé és interessant, una densitat de potència de 50 mW/m2 és de poca utilitat pràctica; fins i tot en un terrat de ran superfície ja què uns 4.000 m2 nomñes ens donareis 200 W. Calia augmentar la densitat de potència del recol·lector d'energia per convertir-lo en una opció atractiva per alimentar la il·luminació i altres aparells electrònics de baixa potència a la nit. Per això es va començar a fer modificacions a la configuració inicial en un model simulat fet que va permetre descobrir diverses maneres de millorar el disseny.
La clau va ser optimitzar la mida del generador termoelèctric per a una àrea d'emissor determinada. Un generador més gran produeix més potència per a un determinat grau de diferència de temperatura entre l'emissor i l'entorn ambiental, però redueix la diferència de temperatura que pot suportar l'emissor permetent que flueixi més calor entre els dos. En aconseguir l'equilibri correcte, va ser duplicar la densitat de potència a més de 100 mW/m2, utilitzant només l'emissor de pintura negra.
També és molt important aïllar l'emissor tèrmicament del seu entorn perquè asoleixi una temperatura molt freda. Òbviament, hi ha materials aïllants molt millors que els utilitzats en aqeusta demostració.
Finalment, els emissors més selectius espectralment, com el disseny del vidre i el disseny multicapa, refreden a temperatures molt més baixes que la pintura negra sobre alumini i, per tant, augmenten la densitat de potència.
Ajuntant totes aquestes optimitzacions, es calcula que la densitat de potència màxima assolible per a aquesta tecnologia és de 2,2 W/m2. Aquesta densitat de potència és molt inferior a la que es pot generar amb cèl·lules solars. Tanmateix, quan la llum solar no està disponible, això és força bo; és significativament més alt en comparació amb el que es pot aconseguir amb altres formes de captació d'energia ambiental.
Utilitzar l'emissor per enviar radiació de calor a l'espai fred i actuar com a dipòsit de fred local, vol dir que cal aïllar l'emissor per evitar una intrusió constant de calor per mantenir la diferència de temperatura. Però, i si no cal aquesta diferència de temperatura per generar electricitat? Per respondre a aquesta pregunta, es va observar a la fotovoltaica solar, per determinar si hi ha un equivalent fred que funcioni amb l'espai profund en lloc de la llum solar.
Una cel·la fotovoltaica pot generar electricitat tant a partir de l'absorció com de l'emissió de radiació de calor. Quan la cel·la està exposada a la radiació de calor d'un cos més calent, es formen un gran nombre de parells d'electrons-forat i la cel·la desenvolupa un potencial de tensió positiu. Quan la cel·la s'exposa a un cos més fred, els electrons i els forats de la cel·la es recombinen en radiació sortint, i la cel·la desenvolupa un potencial de voltatge negatiu. CHRIS PHILPOT
En la captació d'energia solar, una cèl·lula fotovoltaica genera electricitat directament a partir de la radiació solar, gràcies al que succeeix a l'interior d'un semiconductor mentre absorbeix la llum. Els electrons i els forats, els portadors de càrrega d'un semiconductor, normalment existeixen en una petita quantitat en un semiconductor no dopat, com a resultat de l'excitació tèrmica a temperatura ambient. Però si es bombardeja el semiconductor amb fotons amb energies superiors a la banda buida del semiconductor, es pot generar molts més electrons i forats. Per separar els electrons i els forats fotogenerats, els contactes selectius, els que només permeten passar un tipus de portador de càrrega, s'uneixen a ambdós costats del semiconductor. Una habitual manera de fer-ho és dopar un costat del semiconductor perquè sigui de tipus p, que deixi passar forats i bloquegi els electrons, i l'altre costat perquè sigui de tipus n i, deixi passar els electrons i bloquegi els forats. El resultat és una acumulació de forats al costat p i electrons al costat n, donant al costat p una tensió positiva respecte al costat n; els electrons flueixen des del costat n quan es connecta una càrrega.
Aquesta definició familiar del funcionament fotovoltaic suposa una cel·la fotovoltaica relativament freda a la Terra coberta de la brillantor d'un cos molt més calent com el sol. L'analògic fred és una cel·la fotovoltaica a la Terra orientada al buit de l'espai. Aquí, la Terra és calenta en comparació amb l'espai, i la diferència de temperatura significa que la cel·la fotovoltaica terrestre emet radiació neta a l'espai.
En aquest cas, els electrons i els forats del semiconductor es recombinen i irradien fotons, invertint el procés d'absorció de la llum. Aquesta recombinació consumeix electrons i forats, allunyant els forats del costat p i els electrons del costat n. Sense radiació entrant per equilibrar la recombinació radiativa, la despoblació de càrregues en ambdós extrems fa que el costat p desenvolupi un voltatge negatiu respecte al costat n. Al connectar una càrrega, els electrons circulen des del costat p. La polaritat del voltatge és el contrari de l'escenari en què una cel·la fotovoltaica freda absorbeix la radiació del sol calent, però encara és electricitat. Aquest fenomen que genera energia està implicit en el conegut
límit de Shockley-Queisser, que explica la màxima eficiència teòrica d'una cel·la solar.
També s'ha estudiat la possibilitat d'utilitzar aquest dispositiu per recollir l'electricitat de la radiació tèrmica que la Terra emet a l'univers. S'anomena com il·luminació "negativa" pel seu alliberament net de radiació, per distingir-la de la il·luminació "positiva" que es produeix en una cel·la solar. També es conneguda com la recollida d'energia termoradiativa.
Perquè la il·luminació negativa funcioni per a la recollida d'energia a la Terra requereix que la cel·la fotovoltaica emeti radiació a una longitud d'ona dins de la finestra de transmissió atmosfèrica. En aquesta finestra, els electrons i els forats es poden recombinar en forma de radiació sortint. Fora de la finestra, la radiació que rebota de l'atmosfera destrueix el procés que crea aquesta tensió negativa. Per aprofittar aquesta finestra de transmissió, cal crear una cel·la fotovoltaica a partir d'un semiconductor amb un petit interval de banda (al voltant de 0,09 electron volts) que correspon al llindar de la finestra de transmissió a una longitud d'ona de 13 μm.
Això sí que és possible, encara que no amb silici. En el primer experiment, es va utilitzar una cel·la fotovoltaica de telurur de mercuri-cadmi (MCT) amb un interval de banda d'uns 0,1 eV. Es va confirmar l'efecte negatiu d'il·luminació apuntant la cel·la MCT a una superfície controlada en temperatura. La configuració va permetre escalfar la superfície per fer-la emetre més radiació, permetent que la cel·la MCT funcioni amb il·luminació positiva, i després refredar la superfície, permetent que la cel·la MCT canviés a la il·luminació negativa. En canviar la temperatura de la superfície, es va poder observar la transició entre la il·luminació positiva i la il·luminació negativa a partir del canvi corresponent en la tensió de sortida de la cel·la.
Després es va treure la cèl·lula MCT i es va encarar cap al cel nocturn per provar l'efecte utilitzant l'univers fred. VEs va generar electricitat, però amb una densitat de potència de només 64 nW per metre quadrat, valors molt inferior respecte la base en emissors. La raó per una banda va ser l'escletja de banda de la cel·la MCT què és una mica massa alta per estar a la finestra de transmissió ideal i per l'latre banda, els petits semiconductors de banda intercalada pateixen moltes recombinacions de forats d'electrons que no emeten radiació i acaben per reduir la potència que la cel·la.
En un món gairebé perfecte, en què s'ha descobert els millors materials per a emissors i cèl·lules fotovoltaiques d'il·luminació negativa i s'ha resolt tots els altres problemes de disseny, s'estima que la densitat de potència màxima per al sistema emissor termoelèctric i els d'il·luminació negativa és d'uns 5 W/ m2. Això és al voltant d'una trentena part del que ofereixen les cel·les solars comercials al pic de llum solar.
En un escenari més realista, es creu que es podrà assolir una densitat de potència de l'ordre d'1 W/m2. Potser no sembla gaire, però n'hi ha prou per alimentar la il·luminació LED i els sensors de qualitat de l'aire i mantenir les bateries dels telèfons intel·ligents carregades. Pot ser, encara no és raonable imaginar viure sense connexió a al xarxa elèctrica sense bateries nomñes, utilitzant la radiació entrant i sortint de molt més enllà de l'atmosfera terrestre per escalfar, refredar i generar electricitat dia i nit.
Resum per Ramon Gallart dels autors: Sid Assawaworrarit, Fan de Shanhui. Precourt Institute for Energy de la Universitat de Stanford
