Napelempark (Fotó: Kriska Ferenc)

A napkollektorokat és napelemtáblákat, melyek a napsugárzást alakítják át hő, illetve elektromos energiává, szén-dioxid vagy egyéb szennyezőanyagok kibocsátása nélkül, „zöld” technológiának szokás tekinteni. Persze ha figyelembe vesszük, hogy a napelemtáblák és napkollektorok ipari előállításakor bizony rengeteg légszennyező anyag keletkezik, már nem is tekinthető olyan „zöldnek” ez a technológia.

A napelemek története az 1860-as években kezdődött, amikor kutatók egy véletlen folytán rájöttek arra, hogy a szelén másképpen viselkedik nappal, mint éjjel: elektromos áramot termel. Erre William Grylls Adams jött rá, ő nevezte el a jelenséget fotovoltaikus elektromosságnak. 1885-ben már meg is született az első napelem, ami viszonylag hosszabb ideig volt képes elektromos áramot termelni, hatásfoka viszont még nagyon alacsony volt. Az egyéb fosszilis energiahordozók piacának felfutása miatt egy időre háttérbe szorult a napelemek iránti érdeklődés. A második világháború után a szilícium alapú tranzisztorok megjelenésével, valamint a fényvisszaverődés problémájának kiküszöbölésével jelent meg az első, hivatalosan is 6 %-os hatásfokot elérni képes napelem. Ma a kereskedelmi forgalomban is kapható napelemek hatásfoka 17-18% körülire tehető, sőt, laboratóriumi körülmények között már 25 %-ot is sikerült elérni. Az elméleti maximális hatásfokot 31 % körülire becsülik. A napelemek hatásfoka emellett nagyban függ a megfelelő elhelyezéstől és tájolástól, valamint természetesen a földrajzi és éghajlati adottságoktól is.

Napelempark madártávlatból (Fotó: Kriska Ferenc)

A napkollektorok és napelemtáblák minél magasabb hatásfokkal való működéséhez szükséges, hogy azok sötét felületűek legyenek, hiszen így képesek a lehető legtöbb energiát hasznosítani. Az amorf szilícium napelemek például összefüggő fekete felületűek. Korábbi vizsgálatainkból azonban tudjuk, hogy az ilyen fényes, fekete tárgyak, mint a nyíltfelszínű olajtavak vagy a folyóparti üvegépületek gyakran erősen és vízszintesen poláros fényt tükröznek, ami miatt ezeket vízként azonosítják a polarotaktikus vízirovarok.

Napkollektoroknak a spektrum kék (450 nm) tartományában képalkotó polarimetriával mért d lineáris polarizációfok és α polarizációszög mintázatai jobbról (A), szemből (B), és balról (C). A fehér kettősfejű nyilak az uralkodó polarizációirányt mutatják (Fotó: Horváth Gábor)

A vizek felszíne ugyanis a tükröződő napfényt és égboltfényt szintén vízszintesen polarizálja, ami egy olyan evolúciósan megbízható ingert jelent a vízirovarok számára, ami egészen napjainkig biztos támpontot jelentett a vízkeresésükben. Ezt az évszázmilliókig veszélytelenül működő mechanizmust zavarta meg az ember poláros fényszennyezése. A napelemtáblák és napkollektorok fizikai jellemzőik (sima, fekete felület) miatt egy fontos új forrását jelentik a poláros fényszennyezésnek.

Poláros fényszennyező napelemtáblákra leszállt különféle polarotaktikus vízirovarok. (A) Peterakáshoz készülő óriás álkérész (Perla burmeisteriana). (B) Petéző kérész (Rhithrogena semicolorata). (C) Petéző dán kérész (Ephemera danica). (D) Szúnyoglábú légy (Dolipochodidae). (E, F) Bögölyök (Tabanidae) (Fotó: Kriska György)

Dán kérész és bögöly napelemen

Terepi vizsgálataink során az egyedfejlődésük bizonyos szakaszaiban vízben élő kérészekkel, álkérészekkel, szúnyoglábú legyekkel és bögölyökkel végeztünk választásos kísérleteket. Kimutattuk, hogy e rovarok erőteljesen vonzódnak a napelemtáblákhoz és napkollektorokhoz, melyek felett gyakran tömegesen repkednek, és a petéiket is rájuk rakják. Egy szerencsés véletlen folytán azonban megállapítottuk azt is, hogy a napelemtáblák a vízirovarok számára akkor nem vonzóak, ha a felületükön fehér csíkokból álló, a visszavert fényt depolarizáló rácsmintázat található.

A terepkísérleteinkben használt különféle vízszintes, fehérrácsos fényes fekete tesztfelületek polarizációs mintázatai. Minél sűrűbb a fehér rácsozat, annál kevésbé vonzza a fekete felület a polarotaktikus vízirovarokat, azaz annál kisebb a poláros fényszennyezése (Fotó: Horváth Gábor)

Erősen és vízszintesen polarizáló tesztfelületekkel igazoltuk, hogy ha ezeket olyan fehér rácsozattal látjuk el, amely az egységes fényes, fekete felületet kisebb-nagyobb mértékben felaprózza, akkor ezekre akár harmincszor kevesebb vízirovar száll le, mint az azonos felületű rácsozatlan tesztfelületekre. A mono- és polikristályos napelemeket például több kisebb fekete cella alkotja, melyeket egy rendszerint fehér felületre rögzítenek, így kialakul egy világos rácsmintázat, az alapjában véve sötét felületen.

Fehér rácsos napelemtáblák (Fotó: Kriska Ferenc)

E napelemeket tehát nem összefüggő vízfelületként értelmezi a rovar, hanem több kisebb felületként, amire már nem éri meg rászállni és lepetézni, mert a víznek vélt felület mérete nem megfelelő a peték fejlődéséhez. Megfigyeléseink szerint egy adott módon fehéren berácsozott fekete felület vízirovarokra kifejtett vonzóképessége azonban fajfüggő. E felfedezésünk nyomán tehát elmondhatjuk, hogy a poláros fényszennyezésük miatt a polarotaktikus rovarok számára ökológiai csapdát képező napelemtáblák és napkollektorok egy depolarizáló felületi rács hatására elveszítik a vízirovarokra gyakorolt vonzóképességüket.

A terepkísérleteinkben az N = 0, 2, 6 és 10 egymásra merőleges fehér csíkkal cellákra osztott vízszintes, fényes, fekete, ragadós csalifelszínek egységnyi fekete felülete által csapdába ejtett polarotaktikus szúnyoglábú legyek (A, Dolichopodidae), kérészek (B, Ephemeroptera) és álkérészek (C, Plecoptera) m száma

Az utóbbi években kifejlesztették az úgynevezett antireflektív, vagy matt felületű napelemeket is, melyek abban különböznek a hagyományos napelemtábláktól, hogy felületüket érdessé teszik. Az érdes felületnek köszönhetően a napelemekre eső fénysugarak kevésbé képesek visszaverődni, így nagyobb az elnyelt fotonok mennyisége, ami pedig hatékonyabb energiatermelést jelent. Az érdes felület előállításához az elkészült napelem külső felületét több rétegben 50 és 100 nm közötti hosszúságú SiO₂ vagy TiO₂ nanocsövekkel borítják be. A nanocsövek szabálytalanul, a tér minden irányába állnak, elősegítve ezzel, hogy a beeső fotonok az energia termelő felületre verődjenek. Ezek az érdesített felületű készülékek a rájuk jutó napfény akár 96,2 %-át is képesek abszorbeálni, szemben a hagyományos napelemekkel, amelyek, ha a körülmények (leginkább a beesési szög) megfelelőek, akkor is csak maximum 2/3-át.

Napelempark (Fotó: Kriska Ferenc)

A matt felületek által visszavert fény polarizációfoka alacsonyabb a véletlenszerűen elhelyezkedő fragmentumok által visszavert fény random polarizációirányainak kölcsönhatása miatt. A poláros fényszennyezésnek tehát egyik hatékony ellenszere lehet az azt okozó tükröző felületek annyira durvává, érdessé tétele, hogy a róluk visszaverődő, és részben depolarizálódó fény polarizációfoka a polarotaktikus vízirovarok d* polarizációs ingerküszöbe alá essen. A felületi érdesség további előnye, hogy a durva felszínről visszavert fény polarizációiránya általában nem vízszintes, miáltal nem vonzza a polarotaktikus vízirovarokat. Tehát a matt napelemek vízirovarokra gyakorolt hatása is kisebb lehet, mint a fényes, sima, fekete felületeké.

Forrás

Horváth G., Kriska Gy. (2010) A napelem evolúciós csapdája. Interpress Magazin 30(1): 106-110