Aurinkopaneeleista voidaan perhosten siipiä matkimalla saada kohta entistä tehokkaampia, selviää Oulun yliopiston tutkimuksesta.
NANOMO-tutkimusyksikön tuore tutkimus esittelee, miten aurinkoenergian keräämistä voidaan tehostaa hyödyntämällä perhosten siipisuomuja matkivia nanorakenteita.
Tutkimus osoittaa, että paneeliin tulevien heijastusten tehokas vähentäminen johtaa kennosta saatavan maksimivirran kasvuun.
– On vanhoja paneeleja, joiden käyttöikä alkaa olla ehtoopuolella. Tehokkuus niissä on tosi huono. Niistä saataisiin uudestaan hyötyä, kun laitettaisiin kalvo päälle, joka parantaa tehokkuutta, kun heijastusta tapahtuu huomattavasti vähemmän, professori Marko Huttula toteaa.
Yksi siipirakenne oli ylitse muiden
Oulun ylipiston tutkimuksessa tarkasteltiin yhdeksää perhoslajia, joiden siivissä on mustaa väriä. Musta väri valittiin, sillä se imee parhaiten valoa itseensä.
Tutkimuksesta käy ilmi, että Ornithoptera priamus -perhosen siipirakenne vähentää heijastusta tehokkaimmin. Se heijastaa vain 1–5 prosenttia näkyvästä valosta.
– Se näyttäisi olevan mustista mustin, Huttula sanoo.
Pinnoittamaton piiaurinkopaneeli heijastaa 35 prosenttia siihen osuvasta valosta. Siipisuomuja imitoiva nanorakenne vähentäisi heijastuksen viiteen prosenttiin. Heijastuksen väheneminen johti tutkimuksessa siihen, että kennosta saatava maksimivirta kasvoi 66 prosentilla.
Huttulan mukaan on “enemmän kuin todennäköistä”, että tutkimuksessa käsiteltyjä perhosen siipien nanorakenteita tullaan hyödyntämään myös käytännössä.
Perhoslajista riippuen tummat siipisuomut koostuvat erilaisista nanorakenteista, joista musta väri sitten rakentuu. Vastaavasti valon heijastuminen mustista suomuista vaihtelee.
Tutkimuksen perusteella parhaiten heijastusta vähentävän Ornithoptera priamus -perhosen siipisuomut koostuvat yhdensuuntaisista V:n muotoisista urista, joita ympäröivät harjanteet. Ohuet kerrokset yhdistävät V:n muotoisia uria. Kolmen muun tutkimuksessa tarkastellun perhoslajin suomurakenteet koostuvat pyöreistä harjanteista, joiden välissä on yhden, kahden tai kolmen reiän muodostama rivi.
Tutkijat innostuivat perhosista
Perhosten väri on yleensä seurausta siipien rakenteesta, sillä erilaiset rakenteet taittavat luonnonvaloa eri tavoin. Musta väri vangitsee auringonvaloa perhosen siipisuomuihin. Perhosten tiedetään jopa sulattavan itsensä nopeasti muuntamalla auringonvaloa lämmöksi mustien siipisuomujen avulla, Oulun yliopiston tiedotteessa kerrotaan.
Tämä luonnollinen valon talteenottoprosessi innoitti Oulun yliopiston tutkijoita tarkastelemaan erilaisten perhosten mustien siipisuomujen nanorakenteita ja määrittämään niiden valonsidontakyvyn piipohjaisissa aurinkokennoissa.
Professori Huttula kertoo, että Oulussa on aiemminkin tutkittu sitä, miten nanorakenteilla voidaan muokata valon käyttäytymistä pinnoilla. Aiemmassa tutkimuksessa on kopioitu kasvien lehtien pintarakennetta.
Niin perhosissa kuin kasveissa on kyse luonnon muovaamista rakenteista, jotka ovat pitkällä aikavälillä kehittyneet tiettyyn tarkoitukseen. Biomimiikan keinoin myös ihminen voi eri tarkoituksissa hyödyntää luonnossa olemassaolevia tekniikoita.
– Tässä on fysiikkaa parhaimmillaan, kun pystymme tällaisia asioita tekemään ja ymmärtämään!
Aurinkopaneelit ovat yksi esimerkki, mutta sama trendi näkyy Huttulan mukaan monessa muussakin asiassa.
– Nyt täytyy mennä nano- tai jopa molekyylitasolle materiaalin tutkimuksessa. Ja silloin tarvitaan fyysikoita.
Tutkimustuloksista käytäntöön
NANOMO-tutkimusyksikkö sai hiljattain Business Finlandin Tutkimuksesta liiketoimminaksi -rahoituksen bioniikkaan perustuvien pintarakenteiden laajentamiseksi teolliseen mittakaavaan.
Hankkeessa pyritään kehittämään menetelmä, jolla voidaan helposti tehdä pinta, joka voidaan asettaa suoraan aurinkopaneelien pintaan. Hankkeesta odotetaan konkreettisia tuloksia jo seuraavan vuoden sisällä.
Huttula muistuttaa, että nanorakenteita voidaan toki hyödyntää muissakin asioissa kuin aurinkopaneeleissa, esimerkiksi kasvihuoneiden pinnoissa.
Kasvihuoneiden seinissä on samanlainen efekti kuin aurinkopaneeleissa, eli pinnassa tapahtuu heijastusta. Kasvihuoneeseen menevän valon määrää voitaisiin lisätä, jos pintaan asetettaisiin erillinen kalvo.
– Siitäkin on keskusteltu, pystyttäisiinkö sisään menevän valon aallonpituutta muuttamaan, Huttula toteaa.
Kasvit kasvavat eri tavalla riippuen siitä, minkälaista valoa ne saavat. Ne voivat kasvaa pituutta tai korkeutta ja tietynlaisessa valossa ne alkavat kukkimaan. Aallonpituuden säätely voisikin avata mielenkiintoisia mahdollisuuksia.
Lue myös:
