Mørket falder på i Palo Alto i Californien, og en stjerneklar himmel åbenbarer sig over Stanford University.
Alt ånder fred, men ikke alle er færdige med dagens dont.
På taget af en af universitetets bygninger er en lille gruppe fysikere og elektroingeniører travlt optagede af et banebrydende eksperiment.
Her i den kølige aftenluft har de opstillet et apparat, som kan vende op og ned på alt, hvad vi plejer at tænke om solenergi.
Forskerne tjekker deres måleudstyr og noterer så det store gennembrud: Deres opfindelse laver strøm – ikke på trods af, men på grund af den mørke, kolde nattehimmel.
Forskerne har opfundet en omvendt solcelle.
Hvor almindelige solceller giver strøm, når de rammes af solstråler, danner denne teknologi strøm, når den om natten afleverer Solens varmestråling til det kolde verdensrum.
Den banebrydende teknik kaldes negativ belysning, og med den har verden fået en ny og unik type vedvarende energi.
Universets kulde skaber strøm om natten
Varmestråling stiger op fra Jorden
Jorden opvarmes af Solen i løbet af dagen, men om natten forlader varmen Jorden igen – i form af infrarød stråling, som vi ikke kan se.
Rummets kulde “hiver” varme til sig
Rummet er minus 270,42 °C, tæt på det absolutte nulpunkt. Varme søger altid mod kulde, så Jordens varme søger mod rummet.
Varmestrøm skaber elektricitet
Varmen passerer gennem en omvendt solcelle, hvor varmestrømmen sætter elektroner i bevægelse, hvilket skaber elektrisk strøm.
Teknologien kan føre til solceller, der virker døgnet rundt, fordi de både kan generere strøm om dagen og om natten.
Desuden kan omvendte solceller lave strøm af varm røg, der ryger ud af skorstenen på fabrikker. Og cellerne kan vise sig at blive den energikilde, vi mangler for at kunne bosætte os på Mars.
Varme afkøler huse
Forløberen for den omvendte solcelle er køleteknologi.
Der bruges masser af strøm til at afkøle huse – for eksempel i USA, hvor 15 procent af al den energi, der bruges i bygninger, går til aircondition.
Strømforbruget kunne nedsættes, hvis varmen blot kunne strømme ud i verdensrummet i stedet for at skulle fjernes af airconditionanlæg.
Den idé fik i 2014 Stanford-forskerne bag den omvendte solcelle til at bygge en radiator, der afkøler luften omkring sig i stedet for at opvarme den.
Den omvendte radiator optager varmen fra luften under sig og sender den til vejrs mod rummets kulde.
Forskerne designede radiatoren til at udsende varme – altså infrarød stråling – ved helt bestemte bølgelængder, som kan slippe igennem atmosfærens gasser, der ellers bremser strålingen.
Radiatoren afkølede bygningen under sig, og det fik forskerne til at spørge: Hvad hvis rummets kulde ikke blot kan bruges til afkøling, men også som energikilde?
Omvendt solcelle bygger på teori om dampmaskiner
I 1824 fandt fysikeren Sadi Carnot ud af, at en dampmaskine fungerer, fordi varme altid strømmer mod kulde, og at denne varmestrøm omdannes til bevægelse. I dampmaskinen får varmen damp til at udvide sig, så den skubber et stempel rundt, hvorefter dampen afgiver varmen igen.
Princippet kan overføres til en hvilken som helst maskine, der virker på grund af temperaturforskelle. I en benzinmotor skabes bevægelse, når luft opvarmet ved forbrænding af benzin udvider sig og skubber et stempel. Varme kan også få elektroner til at bevæge sig, og det udnytter forskere med den omvendte solcelle, de netop har udviklet.
Gammel teori bliver genoplivet
Idéen om at høste energi fra varme, der strømmer mod kulde, trækker tråde tilbage til 1824.
Her oplevede den franske fysiker Sadi Carnot et aha-øjeblik, efter at han havde undret sig over, hvorfor dampmaskiner virker, som de gør.
Det gik op for ham, at temperaturforskelle helt generelt kan forvandles til bevægelse, fordi varme altid strømmer mod kulde.
Og varmestrømmen kan sætte ting i bevægelse undervejs. Han fandt også frem til en formel for, hvor meget mekanisk energi en given temperaturforskel maksimalt kan give.
Stanford-forskerne har altså taget den næsten 200 år gamle idé op igen. Jorden er varm i forhold til det kolde ydre rum, fordi den ustandseligt bliver ramt af Solens stråler.
Temperaturforskellen kan sætte ting i bevægelse, og elektricitet består af elektrisk ladede partikler – typisk elektroner – der bevæger sig.
Derfor må det være muligt, tænkte forskerne, at konstruere et stykke elektronik, der kan høste elektrisk energi ud fra rummets kulde, hvor temperaturen er helt nede på minus 270,42 °C, blot 2,73 grader over det absolutte nulpunkt.
Universets kulde skaber elektrisk strøm
Når Jordens varme stiger op mod det iskolde verdensrum, hiver den energi med sig. Derfor bevæger elektronerne sig langsommere øverst i den omvendte solcelle, og det skaber en spændingsforskel, som får strøm til at løbe rundt i et kredsløb.
Varme sætter fart på elektroner
Ved stuetemperatur farer elektroner omkring i tilfældige retninger i et materiale bestående af kviksølv, kadmium og tellur. Materialet er valgt, fordi det kan forvandle infrarød stråling til strøm, uanset om det modtager eller udsender strålingen. Da alle elektroner flyver lige hurtigt rundt, er ladningen ens i hele materialet.
Kulde bremser elektroner
Når det varme materiale i solcellen bliver udsat for kulden fra rummet om natten, udsender materialet varmestråling i form af infrarøde fotoner. Hver foton bærer energi væk fra materialet, og energien tages fra elektronerne, som derfor taber fart i den øverste del af solcellen, der vender mod verdensrummet.
Spænding skaber strøm
Forskellen på antallet af hurtige elektroner øverst og nederst skaber en spændingsforskel, fordi flere elektroner forneden bevæger sig frit rundt. Spændingsforskellen driver strøm rundt i et kredsløb, fordi elektronerne bevæger sig fra den negativt ladede ende til den positivt ladede ende for at udligne ubalancen.
Kulde kan få pære til at lyse
Forskernes bud på en omvendt solcelle bygger på en infrarød fotodiode, som normalt bruges til infrarøde detektorer, der for eksempel bruges i natkikkerter.
Her omdanner en infrarød fotodiode varmestråling fra mennesker og dyr til elektriske impulser, som så bliver til synligt lys på et display.
Forskerne indså, at en infrarød fotodiode ikke blot kan producere elektricitet, når den rammes af varmestråling udefra, men også når den selv er varm og udsender varmestrålingen til koldere omgivelser – strømmen løber blot den modsatte vej rundt i kredsløbet.
Varmestrålingen mod koldere omgivelser “stjæler” sin energi fra elektronerne i fotodioden, og derfor begynder de at bevæge sig langsommere i den koldeste ende af dioden.
Dét skaber en forskel på den elektriske ladning mellem den varme og den kolde ende.
Hvis de to ender forbindes via et elektrisk kredsløb, vil elektronerne løbe gennem kredsløbet for at genoprette balancen og voila: strøm.
Og det var sådan, at Stanford-forskerne skabte strøm med deres fotodiode på taget i Palo Alto i 2019.
I forskernes forsøg på taget målte termometeret 20 °C, og effekten målte de til beskedne 64 milliardtedele af en watt pr. kvadratmeter.
Men forskerne har regnet sig frem til, at teknikken kan optimeres og nå op på fire watt pr. kvadratmeter – og så kan en omvendt solcelle på en kvadratmeter for eksempel drive en LED-pære, der lyser med samme styrke som en gammeldags glødepære med en effekt på 40 watt.
I 2018 udviklede forskerne Shanhui Fan og Wei Li en solcelle, som afkøler bygningen nedenunder.
Marsbaser kan bruge teknologien
Den nye teknologi kan producere miljøvenlig energi om natten – for eksempel kan den give lys i mørket til de 1,1 mia. mennesker i verden, der ikke er koblet på elnettet.
De fleste af dem bor i varme lande, og den omvendte solcelle virker bedre, jo varmere Jorden bliver i forhold til rummet.
Den omvendte solcelle kan også bruges til at udvinde miljøvenlig el fra overskudsvarme, for eksempel fra varm røg, der stiger op fra skorstenen på en fabrik, et kraftværk eller et forbrændingsanlæg.
Her vil solcellen virkelig komme til sin ret, fordi den virker bedre ved større temperaturforskelle.
Da forskerne bag teknologien varmede deres fotodiode op til 96 °C, gav den cirka 80 gange så meget strøm som ved 20 °C.
Omvendte solceller kan endda blive afgørende for vores udforskning af Solsystemet.
En beslægtet teknologi bliver allerede brugt til Curiosity-roveren på Mars, som får strøm fra en generator, hvor varmen fra radioaktivt plutonium omdannes til strøm.
Den nye teknologi kan danne mere elektricitet pr. varmegrad end de eksisterende metoder.
Og hvis mennesket skal overleve i bosættelser på andre kloder, for eksempel Mars, har vi brug for vedvarende energi både dag og nat.
Mars er længere fra Solen, end Jorden er, så solceller er knap så effektive.
Til gengæld kan de nye, omvendte solceller give energi hele natten på Mars, som har en ganske tynd atmosfære næsten fri for skyer til at bremse udstrålingen af varme.
Artiklen blev udgivet første gang i 2020