Wat is een nanoantenna?
Een nanoantenna, of nantenna, is een idee voor een type zonnecel die, in plaats van zichtbaar licht te benutten om elektriciteit te creëren, gebruik maakt van infraroodstraling die vaak als warmte wordt beschouwd en buiten het zichtbare bereik voor mensen bestaat. Infraroodlicht wordt uitgestraald door de aarde zelf en een breed scala aan industriële processen als afvalenergie, zoals van kolencentrales. Eén versie van de nanoantenna neemt de vorm aan van een microscopisch klein gouden vierkant of een spiraal van metaaldraad met een diameter van ongeveer 1/25 van de lengte van een mensenhaar die is ingebed in een flexibele plastic folie van polyethyleen. Metalen zoals mangaan en koper zijn ook onderzocht voor de nanoantenna, en in onderzoek vanaf 2008 is aangetoond dat de apparaten maar liefst 92% efficiënt zijn in het omzetten van de frequenties van infrarood licht die ze opvangen in elektrische energie.
Zonnestraling overspant een breed spectrum buiten het zichtbare bereik van licht. Naar schatting is 44% van het door de zon uitgestraalde licht zichtbaar met 7% in het ultraviolette bereik en 49% in het infrarode bereik. Wanneer zichtbaar licht het oppervlak van de aarde of haar atmosfeer treft, verliest het veel van zijn energie in het proces en het meeste hiervan wordt later terug in de ruimte uitgezonden als infrarode straling met een langere golflengte. Het vastleggen van deze energie met behulp van een nanoantenna-array kan twee belangrijke doelen dienen. De energie kan worden gebruikt om tal van elektronische apparaten van stroom te voorzien, en het kan ook worden weggetrokken van apparatuur zoals computerservers en andere machines om het koel en efficiënt te houden.
Een van de beperkingen in de huidige nanoantenna-ontwerpen, die de productie van een nanoantenna-arraysysteem voor de komende tijd echter kan beperken, is de aard van infraroodlicht dat bij hoge frequenties oscilleert. Dit maakt het noodzakelijk om gelijkrichters in het systeem te bouwen die wisselstroom (AC) infraroodsignalen in gelijkstroom (DC) zouden omzetten. Een vergelijkbare gelijkrichter om met een nanoantenna te werken, zou met een factor 1.000 moeten worden teruggeschroefd van de huidige modellen die vanaf 2011 op de markt zijn om effectief te kunnen functioneren, en deze technologie is nog niet ontwikkeld. Een alternatieve benadering zou zijn om zelf een rectificerende antenne te maken, die een combinatie van een nanoantenna en een nano-gelijkrichter zou zijn, en die van nature infraroodfrequenties zou reguleren.
De voordelen van het maken van zonnecelcomponenten met nanoscopische afmetingen ten opzichte van traditionele siliciumwafer-zonnecellen, kunnen ze een revolutionaire sprong vooruit maken. Hun efficiëntie bij het omzetten van licht is veel hoger dan standaard fotovoltaïsche zonnecellen die tot slechts ongeveer 15% variëren voor winkelversies vanaf 2011. Een nanoantenna zonnecel kan worden geconfigureerd om specifieke golflengten van infrarood licht te vangen en kan aan beide zijden van een paneel om twee verschillende golflengtes van elke kant tegelijkertijd te vangen.
Misschien is een van de belangrijkste voordelen ten opzichte van traditionele zonneceltechnologie echter dat de functionele componenten van een nantenna klein genoeg zijn om arrays van de apparaten in flexibele plastic folie te kunnen opnemen. Deze folie kan dan worden uitgerekt over een breed scala aan onregelmatige oppervlakken of elektronische apparaten. In een onderzoeksfaciliteit in het Idaho National Laboratory (INL) in de VS zijn vellen nanoantenna met vierkanten van ongeveer 3 inch bij 3 inch breed (7,6 bij 7,6 centimeter) al gemaakt die elk ongeveer 260.000.000 nantenna elk bevatten, en rollen van veel grotere platen zijn mogelijk.