Z tunelu na dach

Z tunelu na dach
Autor: Andrzej Hołdys
(„Polska Energia” – marzec 2014)
Jak poszukiwacze cząstek Higgsa w ośrodku CERN pod Genewą zapolowali na energię
słoneczną przy okazji budowy Wielkiego Zderzacza Hadronów? Co może łączyć fizykę
cząstek elementarnych z energetyką słoneczną?
Wydaje się, że obie dziedziny dzielą lata świetlne. Gdzie Rzym, gdzie Krym? – chciałoby się
zapytać. Oczywiście nie byłoby energetyki solarnej bez światła słonecznego, które jest
przecież strumieniem cząstek elementarnych, zwanych fotonami. Ich badaniem zajmują się
fizycy. Fotony, gdy padają na powierzchnię półprzewodnika, powodują przemieszczenie się
ładunków elektrycznych. Zjawisko zwane efektem fotowoltaicznym odkryte zostało 175 lat
temu. To z nim wiążą dziś wielkie nadzieje entuzjaści energetyki odnawialnej.
Energię słonecznych fotonów można też, zamiast w prąd, zmienić w ciepło. Robią to – na
niewielką skalę – domowe kolektory słoneczne, jak i olbrzymie, składające się z setek tysięcy
luster, termoelektrownie słoneczne. Te drugie finalnie też wytwarzają prąd. I to sporo. W
połowie lutego tego roku na pograniczu amerykańskich stanów Kalifornia i Nevada
podłączono do sieci energetycznej zakład Ivanpah Solar o mocy 400 MW. To największa dziś
elektrownia słoneczna na świecie. Ponad 300 tys. luster zaopatruje w prąd ponad 140 tys.
domów. Powyższych technologii nie byłoby bez podstawowych badań prowadzonych przez
fizyków – w tym samym XIX w., w którym odkrywano efekt fotowoltaiczny, intensywnie
zajmowano się też optyką, dzięki czemu dziś można projektować i budować idealnego
kształtu lustra koncentrujące światło słoneczne.
Świetnie. Jednak na co dzień współcześni fizycy, szczególnie ci od cząstek elementarnych,
zajmują się znacznie ważniejszymi (ich zdaniem) sprawami niż projektowanie ogniw i
kolektorów fotowoltaicznych, jak choćby szukaniem odpowiedzi na niełatwe pytanie, w jaki
sposób powstał i jak działa Wszechświat. W tym celu przez dekady polowali na cząstkę
Higgsa. Niespodziewanie okazało się, że jedno nie wyklucza drugiego.
PRÓŻNIA DOSKONAŁA
Latem 2013 r. na budynkach międzynarodowego portu lotniczego w Genewie, obsługującego
rocznie kilkanaście milionów pasażerów, rozpoczęto instalowanie około trzech setek
kolektorów słonecznych.
Założono, że zimą będą one ogrzewały terminal, a latem go schładzały. Od paru miesięcy
urządzenia już działają. Zajmują około 1200 m kw. dachu. Dzięki nim genewskie lotnisko
całkowicie uniezależniło się od zewnętrznych dostawców ciepła. Zbędne stały się też
klimatyzatory pożerające mnóstwo energii.
Kolektory słoneczne to dziś żadna nowinka. Produkuje się je od ponad pół wieku. Te, które
ułożono na terminalu lotniska w Genewie, są wyjątkowe. Zastosowana w nich technologia
pozwala uzyskać temperatury o kilkadziesiąt stopni Celsjusza wyższe niż w tradycyjnych
kolektorach. Podczas gdy te drugie służą zwykle do ogrzewania pomieszczeń i wody
użytkowej w pojedynczych domach, te pierwsze, dzięki fantastycznej wydajności, mogą
zaopatrywać w ciepło biurowce, wielkie magazyny i zakłady przemysłowe. Ba, skuteczność
pozyskiwania ciepła jest tak wysoka, że można nim wprawiać w ruch nawet turbiny
prądotwórcze. Twórcami kolektorów są naukowcy ze słynnego ośrodka badań jądrowych
CERN pod Genewą, tego samego, w którym działa Wielki Zderzacz Hadronów (LHC, od
ang. Large Hadron Collider) – największy na świecie akcelerator cząstek osiągających
gigantyczną energię i prędkość. Dzięki prowadzonym w nim eksperymentom odnaleziono w
końcu bozon Higgsa, brakujący element znanej nam materii wypełniającej Wszechświat.
Stało się to w 2012 r., a potwierdzone zostało ostatecznie w zeszłym roku.
Wielki Zderzacz Hadronów umieszczony jest w kołowym tunelu o długości 27 km.
Wydrążono go na głębokości 50-170 m na potrzeby wcześniejszego akceleratora – Wielkiego
Zderzacza Elektronowo-Pozytonowego (LEP). Aby rozpędzone cząstki mogły pędzić w
akceleratorze, okrążając tunel 11 tys. razy na sekundę, wcześniej trzeba było opróżnić go z
powietrza. Inaczej eksperyment szybko stanąłby w miejscu. W CERN rozpoczęto więc
zaawanasowane badania nad urządzeniami i metodami do uzyskiwania jak najczystszej
próżni.
Eksperymentami kierował fizyk i znawca próżni, Cristoforo Benvenuti. Trwały one około 20
lat. Początkowo wewnętrzne ściany akceleratora wyklejano taśmami z cienką warstwą
substancji chemicznej wyłapującej cząsteczki gazów. Swoim działaniem przypominała ona
lep na muchy. Cząsteczka powietrza, która usiadła na taśmie, była natychmiast przez nią
pochłaniana. Później, na potrzeby Wielkiego Zderzacza Hadronów, uruchomionego ostatecznie pięć lat temu, Benvenuti i jego współpracownicy wymyślili jeszcze bardziej finezyjny
„połykacz” gazów – metaliczny proszek o strukturze gąbki nanoszony bezpośrednio na
wewnętrzne ściany urządzenia. Okazał się znacznie skuteczniejszym lepem na zbędne cząstki
powietrza.
WIĘCEJ CIEPŁA
Benvenuti, patrząc z radością, jak jego patent świetnie się sprawuje w akceleratorze, doznał
olśnienia. „A gdyby tak identycznym pochłaniaczem pokryć wnętrze płaskiego kolektora
słonecznego?” – pomyślał. Teoretyczne obliczenia jednoznacznie sugerowały, że sprawność
takiego urządzenia powinna wyraźnie wzrosnąć po usunięciu z niego wszystkich cząstek
powietrza. Wszak im lepsza próżnia, tym mniejsze straty ciepła w kolektorze. W CERN
pomysł chwycił i parę lat temu, równocześnie z uruchomieniem poszukiwań cząstki Higgsa,
rozpoczęto też testowanie kolektorów, we wnętrzu których panowała próżnia równie
doskonała, jak w Wielkim Zderzaczu Hadronów.
Wyniki testów okazały się więcej niż obiecujące. Straty ciepła w idealnie odizolowanych od
otoczenia kolektorach, które ustawiono na dachu jednego z pawilonów CERN, okazały się
znikome. W środku zimy, mimo śniegu dookoła, temperatura wewnątrz wynosiła 80°C.
Maksymalna temperatura uzyskana w kolektorze podczas eksperymentów (to prawda –
przeprowadzonych w idealnych warunkach) wyniosła 350-400°C, czyli o około 100°C więcej
niż w dobrej jakości typowych kolektorach znajdujących się w sprzedaży.
Zachwyceni fizycy zaczęli swój produkt reklamować jako alternatywę dla termosłonecznych
elektrowni, takich jak wspomniana Ivanpah w USA czy Solnova pod Sewillą w Hiszpanii. Do
tej pory sądzono, że tylko ta lustrzana technologia umożliwia wytworzenie naprawdę dużych
ilości ciepła ze światła słonecznego. Benvenuti i jego grupa pokazali, że prawie to samo
potrafią zrobić ich pozbawione powietrza kolektory, które na dodatek zaprojektowano w taki
sposób, aby pochłaniały jak najwięcej rozproszonego światła słonecznego – to spory atut w
pochmurne dni, których nie brakuje w Europie na północ od Alp.
Trzy lata temu prototypy opatentowano i rozpoczęto poszukiwania chętnych do współpracy.
Nie zajmowali się tym już sami badacze, ale działający w CERN specjalny zespół
odpowiedzialny za transfer wiedzy. Utworzono start-up o nazwie SRB Energy, którego
udziałowcem stała się hiszpańska firma Grupo Segura. Wkrótce pod Walencją zbudowano
fabrykę kolektorów, a pod koniec 2012 r. znaleziono pierwszego dużego klienta – lotnisko w
Genewie.