Our website does not support Internet Explorer.

To get the best experience on our website and of our content, please use a more modern browser like Edge, Chrome, Safari or similar.

Omgekeerde zonnecel wekt ’s nachts stroom op

De ijskoude ruimte kan een nieuwe energiebron worden. Er is zojuist een technologie ontwikkeld die de aardwarmte die opstijgt naar het heelal, omzet in stroom. Die kan huizen verlichten en een Marsbasis verwarmen.

In de Amerikaanse plaats Palo Alto, Californië, staan de sterren helder te schijnen boven Stanford University.

Alles is vredig, maar niet iedereen heeft de werkdag al afgerond.

Op het dak van een van de universiteitsgebouwen is een onderzoeksteam van natuurkundigen en elektrotechnici druk bezig met een baanbrekend experiment.

In de koele avondlucht hebben ze een apparaat opgesteld dat alles wat we weten over zonne-energie, op zijn kop kan zetten.

Nog één keer controleren de onderzoekers hun meetapparatuur – en dan zien ze het gebeuren: hun uitvinding wekt stroom op, niet ondanks maar dankzij de donkere, koude nachthemel.

Het team heeft de omgekeerde zonnecel uitgevonden.

Waar traditionele zonnecellen stroom leveren als de zon schijnt, wekt deze technologie juist elektriciteit op wanneer de warmtestraling van de zon ’s nachts naar de ijskoude ruimte trekt.

Met deze zogeheten negatieve verlichting hebben we er een uniek soort duurzame energie bij.

Kou uit de kosmos wekt ’s nachts stroom op

1 / 3
123

De methode kan leiden tot zonnecellen die 24 uur per dag werken, omdat ze dag en nacht stroom genereren. Bovendien kunnen omgekeerde zonnecellen stroom opwekken uit de hete rook uit fabrieksschoorstenen.

En wie weet is dit de energiebron die we nodig hebben om ons op Mars te vestigen.

Warmte koelt woningen af

De voorloper van de omgekeerde zonnecel is de koeltechnologie. Het koelen van huizen vreet stroom, en in de VS gaat 15 procent van alle energie in gebouwen op aan airconditioning.

Het stroomverbruik kan worden verlaagd als de warmte niet door een airco moet worden afgevoerd, maar gewoon de ruimte in vliegt.

Met dat in het achterhoofd bouwden de Stanford-onderzoekers in 2014 een radiator die de lucht om zich heen koelt in plaats van verwarmt.

Deze omgekeerde radiator absorbeert de warmte van de lucht onder zich en stuurt deze naar de kou van de ruimte.

De onderzoekers ontwierpen de radiator zodanig dat hij warmte – infraroodstraling – afgeeft op specifieke golflengten die door de gassen van de atmosfeer heen komen, die anders de straling vertragen.

De radiator koelde het gebouw eronder, waarna de wetenschappers dachten: wat als we die kosmische kou niet alleen gebruiken voor koeling, maar ook als energiebron?

Omgekeerde zonnecel volgt principe van stoommachine

In 1824 kwam de natuurkundige Sadi Carnot erachter dat een stoommachine werkt doordat warmte altijd naar kou stroomt, en dat die warmtestroom kan worden omgezet in beweging. Stoom zet in een stoommachine uit door de warmte, drijft een zuiger aan en staat de warmte vervolgens weer af. Het principe is toepasbaar op elke machine die werkt door temperatuurverschillen. In een benzinemotor ontstaat beweging als lucht die door de verbranding van benzine warm wordt, uitzet en tegen een zuiger duwt. Warmte kan ook elektronen in beweging brengen, wat onderzoekers toepassen in de omgekeerde zonnecel die net is ontwikkeld.

Nieuw leven voor oude theorie

Het idee om energie te halen uit warmte die naar kou toe stroomt, gaat terug tot 1824.

De Franse natuurkundige Sadi Carnot beleefde een aha-moment toen hij zichzelf afvroeg waarom stoommachines werken zoals ze doen.

Hij besefte dat temperatuurverschillen in het algemeen in een beweging kunnen worden omgezet omdat warmte altijd naar kou toe stroomt.

En de warmtestroom kan voorwerpen in beweging brengen. Hij bedacht ook een formule voor de hoeveelheid mechanische energie die een bepaald temperatuurverschil maximaal oplevert.

De Stanford-wetenschappers hebben dit bijna 200 jaar oude idee nu weer opgepikt.

De aarde is warm in vergelijking met het koude heelal omdat er voortdurend zonlicht op valt.

Het temperatuurverschil kan dingen in beweging zetten, en elektriciteit bestaat uit elektrisch geladen deeltjes – meestal elektronen – die bewegen.

Daarom moet het mogelijk zijn, dachten de wetenschappers, om een stuk elektronica in elkaar te zetten dat elektrische energie kan halen uit de kou van het heelal, waar het -270,42 °C is – maar 2,73 graden boven het absolute nulpunt.

Kosmische kou wekt elektrische stroom op

De aardwarmte die opstijgt naar de ijskoude kosmos, neemt energie mee. Daardoor bewegen de elektronen boven in de omgekeerde zonnecel langzamer, en het spanningsverschil dat dan ontstaat laat stroom rondlopen in een circuit.

Warmte jaagt elektronen op

Bij kamertemperatuur schieten elektronen alle kanten op in een materiaal van kwik, cadmium en telluur. Het materiaal is gekozen omdat het infrarode straling kan omzetten in stroom, of het die straling nu ontvangt of uitzendt. Omdat alle elektronen even snel rondvliegen, is de lading in het hele materiaal gelijk.

Kou remt elektronen af

Als het warme materiaal in de zonnecel ’s nachts te maken krijgt met de kou uit de kosmos, zendt het warmtestraling uit in de vorm van infrarode fotonen. Elk foton voert energie van het materiaal af, en in het bovenste deel van de zonnecel, dat naar de ruimte is gericht, verliezen elektronen energie en dus snelheid.

Spanning leidt tot stroom

Onderin zijn er meer elektronen die vrij rondvliegen, en het verschil in het aantal snelle elektronen bovenin en onderin creëert een spanningsverschil. Dit drijft stroom rond in een circuit, want de elektronen trekken van de negatief naar de positief geladen kant om de balans te herstellen.

Kou kan lampen laten branden

Het idee van een omgekeerde zonnecel is gebaseerd op een infraroodfotodiode, die meestal voor infrarooddetectoren gebruikt wordt, zoals in nachtverrekijkers.

Daarbij zet de infraroodfotodiode warmtestraling van mens en dier om in elektrische pulsen, die in zichtbaar licht veranderen op een display.

De onderzoekers realiseerden zich dat een infraroodfotodiode niet alleen stroom kan produceren bij warmtestraling van buitenaf, maar ook wanneer deze zelf al warm is en de warmtestraling uitzendt naar koudere omgevingen – de stroom loopt dan gewoon de andere kant op in het circuit.

De warmtestraling naar een koudere omgeving ‘steelt’ energie van de elektronen in de fotodiode, waardoor die aan de koudste kant van de diode langzamer bewegen.

Dit creëert een verschil in de elektrische lading tussen de warme en koude kant. Als de kanten zijn verbonden via een elektrisch circuit, zullen de elektronen de balans herstellen, en voilà: stroom.

Op die manier wekten de Stanford-wetenschappers in 2019 stroom op met hun fotodiode op het dak van Palo Alto.

Bij de onderzoeksexperimenten op het dak gaf de thermometer 20 °C aan, en het gemeten vermogen bedroeg een bescheiden 64 miljardste watt per vierkante meter.

Maar het team heeft berekend dat na verbetering van de techniek 4 watt per vierkante meter haalbaar zal zijn, waarmee een omgekeerde zonnecel van 1 vierkante meter bijvoorbeeld een ledlamp kan voeden die net als een oude gloeilamp 40 watt vermogen heeft.

In 2018 ontwikkelden Shanhui Fan en Wei Li een zonnecel die het gebouw eronder afkoelt.

Bruikbaar voor basis op Mars

De nieuwe technologie kan ’s nachts milieuvriendelijke energie produceren en licht in het donker brengen voor de circa 1,1 miljard mensen op aarde die geen stroom hebben.

De meeste leven in warme landen, en hoe warmer de aarde wordt ten opzichte van de ruimte, hoe beter de zonnecel werkt.

De omgekeerde zonnecel kan ook groene stroom halen uit restwarmte, zoals de hete rook die uit de schoorsteen van een fabriek, energiecentrale of verbrandingsoven komt.

Hier komt de zonnecel echt tot zijn recht, want bij grotere temperatuurverschillen werkt hij het best.

Toen de wetenschappers van deze technologie hun fotodiode tot 96 °C verwarmden, produceerde deze ongeveer 80 keer zoveel stroom als bij 20 °C.

Omgekeerde zonnecellen kunnen zelfs cruciaal worden voor onze verkenning van het zonnestelsel.

Een verwante technologie wordt al gebruikt voor de rover Curiosity op Mars. De rover werkt met een generator, waarbij de warmte van plutonium wordt omgezet in stroom.

De nieuwe technologie genereert meer elektriciteit per warmtegraad dan bestaande methoden.

En als we willen overleven op andere hemellichamen, zoals Mars, hebben we dag en nacht duurzame energie nodig.

Mars staat verder van de zon dan de aarde, dus zonnecellen zijn er niet zo effectief.

Wel kunnen zonnecellen op Mars de hele nacht stroom produceren, want de atmosfeer is ijl en vrijwel onbewolkt, dus de warmte-uitstraling wordt bijna niet beperkt.

Lees ook:

Zonnecellen

Lichtpuntje: Nieuw type ‘zonnecel’ maakt elektriciteit van schaduw

2 minuten
Zonnecellen

KLIMAATSTRIJD: Zonnecellen breken record en verdubbelen efficiëntie

4 minuten
Flow-batteriet
Zonnecellen

Zonnebatterij maakt je huis klaar voor de toekomst

3 minuten

Log in

Ongeldig e-mailadres
Wachtwoord vereist
Toon Verberg

Al abonnee? Heb je al een abonnement op ons tijdschrift? Klik hier

Nieuwe gebruiker? Krijg nu toegang!

Reset wachtwoord

Geef je mailadres op, dan krijg je een e-mail met aanwijzingen voor het resetten van je wachtwoord.
Ongeldig e-mailadres

Voer je wachtwoord in

We hebben een mail met een wachtwoord gestuurd naar

Nieuw wachtwoord

Enter a password with at least 6 characters.

Wachtwoord vereist
Toon Verberg