Mørket faller på i Palo Alto i California, og en stjerneklar himmel åpenbarer seg over Stanford University.
Alt er rolig og fredelig, men ikke alle er ferdige med dagens dont. På taket av en av universitetets bygninger er en liten gruppe fysikere og elektroingeniører travelt opptatt med et banebrytende eksperiment.
Her, i den kjølige kveldsluften, har de stilt opp et apparat som kan snu opp ned på alt det vi pleier å tenke om solenergi. Forskerne sjekker måleutstyret sitt og noterer det store gjennombruddet:
Oppfinnelsen lager strøm – ikke på tross av, men på grunn av, den mørke, kalde nattehimmelen.
Forskerne har funnet opp en omvendt solcelle. Mens vanlige solceller gir strøm når de blir truffet av solstråler, danner denne teknologien strøm når den om natten avleverer solas varmestråling til det kalde verdensrommet.
Den banebrytende teknikken kalles negativ belysning, og med det har verden fått en ny og unik type fornybar energi.
Universets kulde skaper strøm om natten
Varmestråling stiger opp fra jorda
Jorda varmes opp av sola i løpet av dagen, men om natten forlater varmen jorda igjen – i form av infrarød stråling, som vi ikke kan se.
Kulda i verdensrommet «trekker» varme til seg
Verdensrommet holder minus 270,42 °C. Varme søker alltid mot kulde, så varme fra jorda søker mot verdensrommet.
Varmestrøm skaper elektrisitet
Varmen passerer gjennom en omvendt solcelle, der varmestrømmen setter elektroner i bevegelse, noe som skaper elektrisk strøm.
Teknologien kan føre til solceller som virker døgnet rundt, fordi de kan generere strøm både om dagen og om natten.
Dessuten kan omvendte solceller lage strøm av varm røyk fra skorsteinen ved fabrikker. Og cellene kan vise seg å bli den energikilden vi mangler for å kunne bosette oss på Mars.
Varme avkjøler hus
Forløperen for den omvendte solcellen er kjøleteknologi. Det brukes massevis av strøm til å avkjøle hus – for eksempel i USA, der 15 prosent av all energien som brukes i bygninger, går til aircondition.
Strømforbruket kunne kuttes dramatisk hvis varmen bare kunne strømme ut i verdensrommet i stedet for å fjernes av aircondition-anlegg.
Den ideen fikk i 2014 Stanford-forskerne bak den omvendte solcellen til å bygge en radiator som avkjøler luften rundt seg i stedet for å varme den opp.
Den omvendte radiatoren tar opp varmen fra lufta under seg og sender den til værs mot kulda i verdensrommet.
Forskerne designet radiatoren til å sende ut varme – altså infrarød stråling – ved helt bestemte bølgelengder, de som kan slippe gjennom gassene i atmosfæren, som vanligvis bremser strålingen.
Radiatoren avkjølte bygningen under seg, og det fikk forskerne til å spørre seg: Hvis kulda i verdensrommet kan brukes til avkjøling, kan den ikke også brukes som energikilde?
Omvendt solcelle bygger på teori om dampmaskiner
I 1824 fant fysikeren Sadi Carnot ut at en dampmaskin fungerer fordi varme alltid strømmer mot kulde, og at denne varmestrømmen gjøres om til bevegelse. I dampmaskinen får varmen damp til å utvide seg, slik at den skyver et stempel, før dampen avgir varmen igjen. Prinsippet kan overføres til en hvilken som helst maskin som virker på grunn av temperaturforskjeller. I en bensinmotor skapes bevegelse når luft oppvarmet ved forbrenning av bensin utvider seg og skyver på et stempel. Varme kan også få elektroner til å bevege seg, og det utnytter forskere med den omvendte solcellen de nettopp har utviklet.
Gammel teori blir gjenopplivet
Ideen om å høste energi fra varme som strømmer mot kulde, trekker tråder tilbake til 1824.
Da opplevde den franske fysikeren Sadi Carnot et aha-øyeblikk, etter at han hadde undret seg over hvorfor dampmaskiner virker som de gjør.
Det gikk opp for ham at temperaturforskjeller kan forvandles til bevegelse fordi varme alltid strømmer mot kulde.
Og varmestrømmen kan sette ting i bevegelse. Han fant også fram til en formel for hvor mye mekanisk energi en gitt temperaturforskjell kan gi.
Stanford-forskerne har altså tatt opp den nesten 200 år gamle ideen igjen. Jorda er varm i forhold til det kalde verdensrommet fordi den hele tiden blir truffet av solas stråler.
Temperaturforskjellen kan sette ting i bevegelse, og elektrisitet består av partikler med elektrisk ladning – som regel elektroner – som beveger seg.
Derfor må det være mulig, tenkte forskerne, å konstruere et apparat som kan høste elektrisk energi ut fra kulda i verdensrommet, der temperaturen er helt nede på minus 270,42 °C, bare 2,73 grader over det absolutte nullpunktet.
Universets kulde skaper elektrisk strøm
Når varme stiger opp mot det iskalde verdensrommet, trekker den med seg energi. Derfor beveger elektronene seg langsommere øverst i den omvendte solcellen, og det skaper en spenningsforskjell som får strøm til å bevege seg rundt i et kretsløp.
Varme setter fart på elektroner
Ved romtemperatur farer elektroner omkring i tilfeldige retninger i et materiale som består av kvikksølv, kadmium og tellur. Materialet er valgt fordi det kan forvandle infrarød stråling til strøm, uansett om det mottar eller sender ut strålingen. Siden alle elektroner flyr like raskt rundt, er ladningen lik i hele materialet.
Kulde bremser elektroner
Når det varme materialet i solcellen blir utsatt for kulda fra verdensrommet om natten, sender materialet ut varmestråling i form av infrarøde fotoner. Hvert foton bærer energi vekk fra materialet, og energien tas fra elektronene, som derfor mister fart i den øverste delen av solcellen, som vender mot verdensrommet.
Spenning skaper strøm
Forskjellen på antallet raske elektroner øverst og nederst skaper en spenningsforskjell, fordi flere elektroner nederst beveger seg fritt rundt. Spenningsforskjellen driver strøm rundt i et kretsløp, fordi elektronene beveger seg fra enden med negativ ladning til enden med positiv ladning for å utlikne ubalansen.
Kulde kan få pære til å lyse
Forskernes forslag til en omvendt solcelle bygger på en infrarød fotodiode, som normalt brukes til infrarøde detektorer som for eksempel brukes i nattkikkerter.
I en nattkikkert gjøres den infrarøde fotodioden varmestråling fra mennesker og dyr om til elektriske impulser, som så blir til synlig lys på et display.
Forskerne innså at en infrarød fotodiode ikke bare kan produsere elektrisitet når den blir truffet av varmestråling utenfra, men også når den er varm selv og sender ut varmestrålingen til kaldere omgivelser – strømmen går bare motsatte vei rundt i kretsløpet.
Varmestrålingen mot kaldere omgivelser «stjeler» energien fra elektronene i fotodioden, og derfor begynner de å bevege seg langsommere i den kaldeste enden av dioden.
Det skaper en forskjell på den elektriske ladningen mellom den varme og den kalde enden.
Hvis de to endene forbindes via et elektrisk kretsløp, vil elektronene bevege seg gjennom kretsløpet for å gjenopprette balansen og voilà: strøm.
Og det var slik Stanford-forskerne skapte strøm med fotodioden på taket i Palo Alto i 2019.
I forskernes forsøk på taket målte termometeret 20 °C, og effekten målte de til beskjedne 64 milliarddeler av en watt per kvadratmeter.
Men forskerne har regnet seg fram til at teknologien kan videreutvikles og nå opp i fire watt per kvadratmeter – og da kan en omvendt solcelle på en kvadratmeter for eksempel drive en LED-pære som lyser med samme styrke som en gammeldags glødepære med en effekt på 40 watt.
Mars-baser kan bruke teknologien
Den nye teknologien kan produsere miljøvennlig energi om natten – for eksempel kan den gi lys i mørket til de 1,1 milliarder menneskene i verden som ikke er koblet til strømnettet.
De fleste av dem bor i varme land, og den omvendte solcellen virker bedre jo varmere jorda blir i forhold til verdensrommet.
Den omvendte solcellen kan også brukes til å utvinne miljøvennlig elektrisitet fra overskuddsvarme, for eksempel fra varm røyk som stiger opp fra skorsteinen på en fabrikk, et kraftverk eller et forbrenningsanlegg.
Da vil solcellen virkelig komme til sin rett fordi den virker bedre ved større temperaturforskjeller.
Da forskerne bak teknologien varmet opp fotodioden til 96 °C, ga den om lag 80 ganger så mye strøm som ved 20 °C.
Omvendte solceller kan faktisk bli avgjørende for utforskningen av solsystemet.
En beslektet teknologi blir allerede brukt til Curiosity-roveren på Mars, som får strøm fra en generator der varmen fra radioaktivt plutonium gjøres om til strøm.
Den nye teknologien kan danne mer elektrisitet per varmegrad enn de eksisterende metodene.
Og hvis mennesket skal overleve i bosetninger på andre kloder, for eksempel Mars, trenger vi fornybar energi både dag og natt.
Mars er lenger fra sola enn jorda er, så solceller er ikke like effektive.
Til gjengjeld kan de omvendte solcellene gi energi hele natten, også på Mars, som har en veldig tynn atmosfære nesten uten skyer som kan bremse utstrålingen av varme.
Denne artikkelen ble første gang utgitt i 2020