Биомимикрия в солнечной энергетике: как природные механизмы насекомых способствуют освоению солнечной энергии

Как сообщает онлайн-журнал об энергетике «Энергия+», Леонардо да Винчи черпал идеи для своих летательных аппаратов из строения крыльев птиц и насекомых. Современные инженеры обращаются к наноструктурам на крыльях бабочек и конфигурации лепестков цветов для разработки инновационных технологий. Какие тайны насекомых и растений раскрывают ученым пути к новым открытиям?

Тайна угла в 34 градуса  

История солнечных батарей началась с открытия французского физика Беккереля в 1839 году, обнаружившего фотогальванический эффект, теорию которого развил в дальнейшем Альберт Эйнштейн в своей работе 1905 года.

Первые работающие фотоэлектрические элементы появились на основе кремния, а стимулом к дальнейшему продвижению технологий стало использование солнечных батарей в космосе, начиная с середины XX века, особенно на спутниках.

Позже, в наше столетие, ученые обратили внимание на природу и ее механизмы, включая необычные особенности строения глаза некоторых насекомых, такие как отсутствие бликов. Эти идеи привели к созданию улучшенных покрытий для солнечных элементов.

Однако настоящим прорывом стала неожиданная находка, связанная с поведением бабочек. Исследования 2015 года показали удивительный факт: капустницы и родственные виды держат свои крылышки под углом ровно 34 градуса относительно солнца. Это положение обеспечивает максимальное отражение света именно на мышцы крыльев, позволяя быстро согреться перед полетом.

Уникальность этого открытия состоит в том, что этот природный механизм начали активно внедрять в технологии производства новых типов солнечных коллекторов. Например, тонкие пленочные устройства направляют солнечную энергию сначала в тепло, а затем преобразуют ее в электричество посредством специальных генераторов.

Такой подход позволил создать инновационные модели солнечных батарей, обладающих повышенной эффективностью почти вдвое больше обычного уровня и весом в семнадцать раз меньше стандартных аналогов.

Наноструктуры крыла вместо кремния  

«Кто был тот ювелир, что, бровь не хмуря, нанес в миниатюре на них тот мир, что сводит нас с ума?» – писал Иосиф Бродский о бабочках. Удивительно, но на крыльях этих существ действительно существуют мельчайшие узоры, невидимые человеческому глазу. Микроскопические структуры, размеры которых значительно меньше длины световых волн, демонстрируют способность необычно взаимодействовать со светом, меняя направление и концентрацию фотонов. По образцу этих структур разрабатываются новые типы фотоэлементов, легкие и гибкие, эффективно защищающие панели от перегрева, адаптированные к различным углам освещения и способные менять окраску в зависимости от условий освещенности.

«Эти чудесные рисунки создаются природой путем сочетания различных пигментных веществ, расположенных в слоях тонких чешуек, покрывающих поверхность крыльев», – объясняет Татьяна Виноградова, биолог-кандидат наук и научный популяризатор. – Яркая расцветка часто служит предупреждением хищникам, ведь многие экзотические виды бабочек ядовиты. Некоторые же имитаторы приспособились мимикрировать опасные виды, повторяя их узоры ради собственной безопасности. Чешуйки выполняют еще одну важную роль: снижают вибрацию крыльев, делая полет практически беззвучным».

Особенно интересны исследования крыльев Papilio ulysses, знаменитых своим необычным строением. Их покрытие представляет собой сложную систему крошечных отверстий, действующих подобно природному светоулавливающему устройству. Подражая этому принципу, ученые создали матрицы, способствующие накоплению энергии преимущественно в теплой части спектра – около 600 нм, сокращая расход материалов примерно на 84 %.

Современные коммерческие солнечные панели содержат слои чистого кремния толщиной порядка 200-300 мкм. Однако современные достижения в области нанотехнологий позволяют сократить эту величину в сотни раз, одновременно увеличив производительность и экономичность.

Интеллектуальное охлаждение  

Бабочки умеют не только аккумулировать тепло, но и искусно избавляться от излишнего нагрева. Поверхность их крыльев оснащена множеством мелких деталей, выполняющих функцию маленьких «охладителей». Ученые выяснили, что внутри организма этих насекомых существует сложная система термодатчиков и механосенсоров, встроенных в нервную ткань. Они управляют распределением тепловой нагрузки между дыхательной системой и кровеносными сосудами, обеспечивая баланс температуры в теле и предотвращая опасный перегрев даже при высокой интенсивности солнечных лучей.

Китайские инженеры в 2023 году воссоздали уникальную архитектуру крыла бабочки Morpho menelaus, разработав новое поколение охладительных покрытий. Один из примеров – ультратонкий пластиковый слой, который сохраняет прохладу на пару градусов ниже окружающего воздуха даже при прямом воздействии яркого солнечного излучения. Подобные материалы перспективны для использования в строительстве домов, остеклении окон и автомобилестроении, снижая потребность в системах охлаждения помещений.

«Концентраторы легкого типа, построенные по аналогии с поверхностью крыльев бабочек, представляют собой многообещающее решение для повышения эффективности источников питания как в наземных зданиях, так и в условиях космического пространства», – подчеркивает Марина Теплякова, ведущий исследователь Центра энергетических исследований и разработок Сколковского института науки и технологий.

От порхания крыльев к энергоэффективным технологиям  

Исследователи взяли пример со стрекоз, чьи крылья помогли усовершенствовать конструкцию лопастей ветрогенераторов, обеспечив плавное и эффективное перемещение воздушных масс. Примером растений послужило создание инновационных гибких пластиковых фотоэлементов, называемых «солнечными листьями», которые поворачиваются вслед за движением солнца, словно подсолнечник.

Еще один вариант – солнечные модули, выполненные по образу листового покрытия. Внутри таких конструкций заложены каналы для циркуляции жидкости, позволяющие снизить избыточное тепло за счет процесса испарения влаги, что улучшает стабильность и работоспособность установки.

«Большинство компонентов современных солнечных установок берут свое начало в природе: скажем, природные вещества вроде хлорофилла или растительные экстракты используются для изготовления чувствительных к свету составов. Природа уже давно придумала идеальные решения, нам остается лишь внимательно присмотреться», – поясняет Марина Теплякова, руководитель отдела изучения энергетики в Центре научных технологий Сколково.