„Energie, která dopadá ze slunce na povrch země, je obrovská. Musíme ji ale umět přeměnit a skladovat,“ říká.

Pochopil jsem, že pracujete na materiálu průhledném jako sklo, který bude tvořit okenní výplně a vyrábět elektřinu. Můžete to přiblížit?
Zabývám se takzvanými luminiscenčními solárními koncentrátory. Luminiscence je jev, při kterém dochází k absorpci záření a následně k jeho opětovnému vysvícení, solární v názvu ukazuje, že to zařízení využívá sluneční záření. Zároveň se jedná se o koncentrátor, protože koncentruje světlo z celé plochy na své okraje. Jsou to tedy zařízení sestavená z klasického skla, okenních tabulek. Na nich je nanesena tenká vrstva nějakého polymeru (nosná látka, pozn. red.), který obsahuje materiál schopný právě luminiscence. Možná si vybavujete fosforeskující bubáky v dětských pokojích, na které celý den svítilo slunce, a oni pak v noci svítili. Podobného jevu využívám k vytvoření svého zařízení. Jen to není měsíček na stropě dětského pokoje, ale nanomateriál uvnitř polymerní matrice. Zařízení funguje tak, že na celou plochu dopadá sluneční záření, to je absorbované tím „nanobubákem“, je vysvícené zpátky a tažené na okraj sklíčka, kde je v rámu přistavený solární panel, který světlo převádí na elektrickou energii.

Vtip je tedy v tom, že na skle je materiál s nanovrstvou, která světlo pošle do boku?
Přesně tak. Smyslem výzkumu je, abychom byli schopni využít plochy, které dosud využité nejsou. Například ve velkoměstech je řada prosklených mrakodrapů, které zatím negenerují žádnou energii. A pomocí tohoto konceptu bychom byli schopni přetvořit tyto pasivní plochy v ideálním případě na energeticky soběstačné jednotky.

Jak jste s výzkumem daleko?
Během našeho výzkumu jsme využívali dva typy nanomateriálů. Nejdříve uhlíkové tečky, následně perovskitové nanokrystaly. Perovskitové nanokrystaly mají výborné optické vlastnosti, ale běžně ve své struktuře obsahují olovo. My jsme ovšem přišli s alternativní verzí těchto nanomateriálů, které v sobě olovo neměly, takže byly ekologicky šetrné. Laboratorně ten koncept funguje, problémem ovšem je, že účinnost těchto zařízení je zatím zajímavá pouze v malých rozměrech. První prototyp měl osm na osm centimetrů, druhý deset na deset. Čím je plocha větší, tím menší je účinnost. A klesá dramaticky. Celý tento koncept je poměrně nový, výzkum je v počátcích. Cesta k reálné industriální implementaci je zatím bohužel, dle mého názoru, otázkou spíše desetiletí než několika let.

close Letní deník - logo 2022 info Zdroj: Deník zoom_in Letní deník - logo 2022 Takže se nedá čekat, že by se tato zařízení začala dejme tomu během pěti let osazovat?
Nemyslím si. Pokud někdo opravdu nepřijde s nějakým průlomovým materiálem. Celý koncept na laboratorní úrovni to funguje celkem pěkně. Ideální by bylo, kdyby se velké okno rozdělilo jako vitráž v katedrále na malé kousky, panely například deset na deset centimetrů. A mezi každým tím panelem by byl tenký solární článek, který by byl schopný stahovat generovanou elektrickou energii. Bylo by to ale technicky dost náročné.

Nyní je tedy úkolem, aby to, co funguje na čtverečku deset na deset centimetrů, fungovalo i o plochách třeba metr na metr…
Je to problém materiálové chemie. Parametry nanomateriálu se promítají do celkové účinnosti výsledného zařízení. Využitý nanomateriál musí být schopný absorbovat co největší část slunečního záření. Druhým problémem je, jak účinné to opětovné vysvícení je. Třetím důležitým parametrem je takzvaný Stokesův posun. Ten představuje rozdíl mezi vlnovými délkami absorbovaného a vysvíceného světla. Obecně platí, že čím větší tento rozdíl je, tím lépe zařízení funguje, protože se minimalizují optické ztráty při větších rozměrech.

Jak se tento koncept liší od klasických solárních panelů?
Solární článek funguje tak, že na něj posvítíte a on vám sluneční energii přemění přímo na elektrickou. Na luminiscenční solární koncentrátor posvítíte a on Vám světlo zkoncentruje na svých okrajích. Idea tohoto konceptu je, abyste mohli využít plochy, které zatím využity nejsou. V roce 2018 lidstvo spotřebovávalo asi 18,5 terawatt energie. Predikce na rok 2050 je třicet terawatt, tedy skoro dvojnásobek. Kdybyste chtěl toto množství získat jen pomocí solárních článků, potřeboval byste jimi zastavět asi jedno procento veškeré obyvatelné krajiny na naší planetě. Ale to si nemůžete dovolit, protože je nutné zároveň řešit produkci jídla a jiné, důležité strategické problémy. Tento koncept nabízí alternativu v získávání energie pomocí již stojících ploch, které by se jinak využít nedaly. Není to na spásu světa, ale určitá spotřeba například kancelářské budovy by mohla být tímto způsobem pokryta. Byl by to takový doplněk.

Jaká je účinnost vašeho zařízení?
Účinnost solárního článku, který jsme v laboratoři použili, byla kolem osmi procent. Naše zařízení připojená ke stejnému solárnímu článku vykazovala účinnosti zhruba osmkrát nižší. Luminiscenční solární koncentrátory ale dávaly alespoň něco. Záleží tedy pouze na to tom, kam až se s účinnostmi v dalších letech budeme schopni dostat.

Jak jste se k tomuto tématu před čtyřmi lety dostal?
Magisterské studium jsem absolvoval v Brně, pak jsem přišel do Olomouce na doktorát. Věděl jsem, že chci studovat luminiscenční materiály a hledal jsem možnosti, kudy jít. V tu dobu vyšel zajímavý článek na toto téma a ten koncept nás zaujal. Protože na našem pracovišti máme velké zkušenosti s uhlíkovými tečkami, zkusili jsme naše štěstí. Následně přijel kolega z Indie na postdoktorální studium. Během své práce připravil bezolovnaté perovskitové nanokrystaly. Když jsem viděl, že je má připravené a že fungují, zúročil jsem všechny zkušenosti z prvního příběhu a pak to už šlo jak po másle.

Vodík z umělé fotosyntézy

Čím se zabýváte nyní?
Také přeměnou slunečního záření, kterému se ale říká umělá fotosyntéza. Když je luminiscenční solární koncentrátor napojený na solární článek, mění solární energii na elektrickou. Při artificiální fotosyntéze se přeměňuje solární energie do energie chemické vazby, do vodíku nebo jiných, chemicky hodnotnějších molekul.

Pod fotosyntézou si laik přestaví růst rostlin. Co si představit pod tou umělou?
Fotosyntéza je vlastně přeměna světelné energie a malých, energeticky nevýznamných anorganických látek na energeticky významnější struktury, například cukry. Rostlina tak vlastně mění sluneční záření na energii chemickou. Další výhodou tohoto procesu je, že získanou energii, uloženou v těchto molekulách, může rostlina kdykoliv získat zpět jednoduchým chemickým štěpením. No, a umělá fotosyntéza se snaží tento proces zefektivnit pomocí různých uměle připravených materiálů, které umožní generovat třeba vodík nebo jiné, energeticky zajímavé molekuly.

Takže se zaměřujete na výrobu vodíku?
Ano, tyto aplikace mohou vést například ke štěpení vody a tvorbu vodíku.

O vodíku se mluví jako o budoucí perspektivě energetiky. Řeší se nicméně velká energetická náročnost při jeho výrobě…
Proto do hry vstupují takzvané katalyzátory. To jsou chemické struktury, které umožní, aby reakce probíhala za nižších teplot, nebyla tak energeticky náročná a její výtěžnost byla co nejvyšší. Na nanomateriál se posvítí, přeskočí elektron a probíhá reakce, například štěpení vody. Použijeme vysokoenergetický elektron, který absorboval sluneční záření.

Stejně jako u solárních koncentrátorů se používá stejný nanomateriál, jen se využívá jinak?
Ano. Pracuji s uhlíkovými tečkami a perovskitovými nanokrystaly, které se snažím aplikovat. Oba nanomateriály využívám v přeměně solárního záření. Buď na elektrickou energii pomocí luminiscenčních solárních koncentrátorů napojených na solární článek, nebo do energie chemické vazby pomocí artificiální fotosyntézy. To je v kostce můj doktorát (úsměv).

Vy tedy uhlíkové tečky nalijete do vody, posvítíte na ně a z vody vzniká vodík?
Ještě k tomu musíte něco přidat. Uhlíkové tečky jsou materiál, který dodával celému systému excitované elektrony. Pak bylo nutné do vody přidat nějaký katalyzátor, například hydrogenázu, který byl schopen velmi efektivně štěpit vodu na vodík. Většinou se místo enzymu používají kovy, nápad mé kolegyně byl, že se kov vymění za biologickou strukturu. Reálně to fungovalo tak, že jsme měli zkumavku, v ní tento koloidní roztok, posvítili jsme na něj a když jsme viděli bublinky vodíku, bylo to na oslavu (úsměv). Na základě tohoto příběhu mě začalo zajímat, co se v té uhlíkové tečce doopravdy děje. Strávil jsem asi rok a půl, než jsem na to přišel, ale to je zase trošku jiný příběh.

100 tisíc terawattů ze slunce

Mohou objevy jako jsou ty vaše řešit spotřebu energií lidstva?
Obecně mi tento směr výzkumu přijde jako zajímavý. Spotřeba energie lidstva byla v roce 2018 osmnáct terawattů, slunce nám dává sto tisíc.

V principu jde o to slunce, které svítí zadarmo, jen energeticky využít?
To je to, co mě fascinuje, a přijde mi to logické. Energie, která dopadá ze Slunce na povrch země, je obrovská. Za prvé ji ale musíme umět přeměnit, zadruhé skladovat. Poptávka po energii má v průběhu dne svůj průběh a také solární nebo větrné elektrárny fungují třeba jen pár hodin denně a to ještě musí být hezky nebo foukat.

Výzkum vás a vašich kolegů ale dává naději, že pokud bude dostatek vůle a peněz, mohlo by se to během poměrně krátké doby podařit, jako v případě vakcín a léků proti covidu.
Budeme v to doufat.