Wszystko na Ziemi kręci się wokół Słońca. Ogrzewa powietrze i oceany, umożliwia roślinom fotosyntezę, zwierzętom gwarantuje pożywienie. Można też z niego pozyskać prąd elektryczny, ale do niedawna było to piekielnie trudne.

Zawiązanie przez Syrakuzy sojuszu z Kartagińczykami oznaczało śmiertelne niebezpieczeństwo dla Rzymu. Greckie miasto było na Sycylii znakomitym przyczółkiem, z którego można przerzucić armię wprost do serca Italii. Ale rzymski senat nie zamierzał czekać, aż wróg uderzy pierwszy. W pośpiechu sformowano olbrzymią flotę i armię, komendę nad nią powierzając Marcellusowi. Doświadczony wódz w 214 r. p.n.e. wylądował na Sycylii i rozpoczął oblężenie miasta. Syrakuz broniło pospolite ruszenie niemogące się równać z legionistami, ale Grecy mieli po swojej stronie Archimedesa. Atakujące od lądu cztery legiony nadziały się na grad kamieni i metalowych pocisków z machin balistycznych. Jednak większe zaskoczenie czekało na marynarzy. Nagle rzymskie okręty jeden po drugim zaczęły stawać w płomieniach. „W końcu w niezwykły sposób on [Archimedes – przyp. aut.] spalił całą rzymską flotę. Bowiem poprzez skierowanie w stronę słońca pewnego rodzaju lustra skoncentrował na nim promienie słoneczne […] i rozpalił wielki ogień, którego całość skierował na statki” – twierdził bizantyjski historyk Jan Zonaras. Swoje kroniki spisywał on jednak dopiero w XI w., opierając się na wcześniejszych źródłach. Całą opowieść traktowano więc jako owoc wybujałej wyobraźni starożytnych.

Aż zupełnie niedawno, bo w 2005 r., studenci z Massachusetts Institute of Technology (MIT) pod kierownictwem prof. Davida Wallace’a skonstruowali zwierciadło o powierzchni 30 m². Ustawiono je na stelażu w porcie w San Francisco, po czym skierowano na zbudowaną z drewna atrapę rzymskiej galery. Bujający na wodzie w odległości kilkudziesięciu metrów statek w ciągu kilku chwil stanął w płomieniach.

Za sprawą wynalazków Archimedesa Syrakuzy broniły się przez trzy lata. Wreszcie niezłomny upór Marcellusa zatriumfował. Miasto padło, a genialny uczony zginął z rąk rzymskich legionistów, zabierając tajemnicę swych luster do grobu. Musiało upłynąć wiele stuleci, nim kolejni geniusze zaczęli zachodzić w głowę, do czego można by użyć słonecznych promieni.

Informacja

Z ostatniej chwili! To pierwsza z Twoich pięciu treści dostępnych bezpłatnie w tym miesiącu. Słuchaj i czytaj bez ograniczeń – zapraszamy do prenumeraty cyfrowej!

Subskrybuj

Słońce i diament

Światło jest dla ludzi powszechnie dostępne, lecz na co dzień o wiele wygodniej do wytwarzania ciepła użyć tego, w czym energia słoneczna została zakumulowana, czyli drewna i węgla. Prawdopodobnie organicznego pochodzenia są także gaz ziemny i ropa naftowa (choć nie jest to do końca dowiedzione). Tak czy inaczej, słoneczne światło miało udział w powstaniu kluczowych surowców energetycznych. Ale bezpośrednim wykorzystaniem promieni słonecznych do niedawna zajmowały się jedynie rośliny. Oraz uczeni-wizjonerzy. Leonardo da Vinci zbudował wklęsłe lustro, które potrafiło zagotować wodę w umieszczanym nad nim metalowym talerzu. Następnie naszkicował projekt ogromnego zwierciadła złożonego z licznych luster, ułożonych w owalnym zagłębieniu. Miało mieć średnicę 6,5 km, a ogniskowa znajdowałaby się zaledwie około 4 m nad jego dnem. Taka konstrukcja byłaby zdolna skupić promień światła o olbrzymiej temperaturze, jednak pozostała tylko na papierze, nie wiadomo więc, co Leonardo planował podpalić lub stopić.

O wiele dalej poszedł w swoich eksperymentach chemik Antoine Lavoisier. Słońca potrzebował do uporania się z teorią flogistonu (phlogios to z greckiego „płomień”). Sformułował ją na początku XVIII w. niemiecki fizyk Georg Ernst Stahl, a głosiła, że tzw. substancję ognistą zawierają wszystkie materiały palne. Jej uwolnienie następuje po tym, gdy dany materiał zostanie podgrzany. Zdaniem Lavoisiera żaden flogiston nie istniał, lecz to w powietrzu musiał występować składnik podtrzymujący spalanie. Aby to udowodnić, w 1772 r. zbudował specjalny piec słoneczny w formie szklanego klosza. Wysokie temperatury uzyskiwał w nim za sprawą wielkich soczewek. Wśród 220 rzeczy spalonych przez francuskiego chemika przy użyciu energii słonecznej znalazł się nawet diament. Wreszcie sławę przyniosło mu odkrycie, iż powietrze nie jest jednorodne, ale tworzy je mieszanina gazów, a spalanie podtrzymuje jeden z nich – tlen. Ten fakt bardziej frapował uczonego niż nowatorstwo słonecznego pieca, choć uzyskiwał w nim temperatury około 1750°C. Być może zająłby się nim dogłębniej, gdyby nie francuska rewolucja. Lavoisiera przed Trybunałem Rewolucyjnym postawił Jean-Paul Marat. Nie mógł zapomnieć geniuszowi, że ten kiedyś podważył wyniki jego eksperymentów związanych z przetwarzaniem światła na ciepło, przez co Marat nie został przyjęty do Akademii Francuskiej. Wysunął wobec Lavoisiera zarzut, iż czerpał dochody z akcji spółek, którym Ludwik XVI powierzył ściąganie podatków. Obrońca oskarżonego prosił o ułaskawienie, argumentując, że jego klient jest genialnym uczonym i jego nowe odkrycia mogą służyć państwu. „Rewolucja nie potrzebuje geniuszy” – usłyszał w odpowiedzi od sędziego, który orzekł wyrok śmierci.

Kwestia ceny

Rekordu temperatury pieca Lavoi­siera nie udało się pobić przez ponad 100 lat. Za to wcześniej zupełnie innego przełomu dokonał 19-latek Alexandre Edmond Becquerel. Francuz sporządził w naczyniu elektrolit z chlorku srebra, po czym włożył do niego dwie platynowe elektrody. Przypadkiem zauważył, że jego bateria daje wyższe napięcie prądu, kiedy się ją oświetli. Tą drogą Becque­rel odkrył zjawisko fotowoltaiczne. Występuje ono, gdy na niektóre rodzaje półprzewodników pada światło, wzbudzając w nich ładunek elektryczny. Niestety, był on bardzo słaby i z problemem tym Becquerel nie potrafił sobie poradzić.

Nadzieję na postęp dało odkrycie Willoughby’ego Smitha, który zauważył, że pod wpływem światła zwiększa się zdolność przewodzenia prądu przez selen. Wiedząc o tym, amerykański wynalazca Charles Fritts w 1883 r. umieścił selen na metalowej płytce i pokrył warstwą złota. Stworzone przez niego ogniwo po wystawieniu na promieniowanie słoneczne zaczynało wytwarzać prąd. Rok później wynalazca zainstalował pierwszą baterię słoneczną na dachu nowojorskiego wieżowca, czym przyciągnął uwagę prasy. Jednak jej efektywność, czyli stopień konwersji energii słonecznej na elektryczną, oscylowała w okolicach 1%. Zważywszy na koszt materiałów, pierwszy słoneczny panel był zupełnie nieopłacalny. Dlatego w 1884 r. przegrał konkurencję z elektrownią cieplną projektu Thomasa Edisona, w której generatory prądu były napędzane nie przez promieniowanie słoneczne, lecz silniki parowe. Wzniesiona przy Pearl Street zapewniła prąd od razu całemu Manhattanowi.

Mimo tej klęski idea pozyskiwania energii ze Słońca nie odeszła zupełnie w zapomnienie za sprawą wynalazcy Franka Shumana. Amerykanin, który fortunę zbił dzięki opracowaniu szkła laminowanego, kilkanaście lat życia poświęcił zmaganiom z problemem, jak najlepiej wykorzystać promienie światła. Pierwsze sukcesy odnotował pod koniec XIX w., gdy połączył słoneczny kolektor z silnikiem parowym. Do metalowego, posrebrzanego pojemnika wpompowywał eter, którego temperatura wrzenia wynosi około 40°C. Podgrzany za pomocą promieniowania słonecznego gaz przez szczelny przewód wpadał do silnika parowego, wprawiając go w ruch. Choć konstrukcja działała bez zarzutu, potencjalni użytkownicy woleli klasyczne maszyny opalane węglem. Niezrażony tym wynalazca w 1908 r. założył firmę Sun Power Company mającą budować siłownie, w których kolektory słoneczne napędzały silniki parowe. Dzięki ulepszeniom udało mu się zastąpić w nich eter zwyczajną wodą. Ostatecznie powstała tylko jedna siłownia w egipskiej miejscowości Maadi. Ogrzewane promieniowaniem słonecznym kolektory napędzały silnik o mocy 70 KM, który przepompowywał wodę z Nilu do pobliskich kanałów. W słoneczne dni (a te przeważały) nawet 6 tys. litrów na minutę. „Osiągnęliśmy komercyjne zyski z energii słonecznej w tropikach, a zwłaszcza udowodniliśmy, że po wyczerpaniu zapasów ropy i węgla ludzie mogą czerpać nieograniczoną energię z promieni słonecznych” – ogłosił na łamach „New York Timesa” w lipcu 1916 r. Frank Shuman. Jednak prawdziwych triumfów nie doczekał, umierając zaledwie półtora roku później.

Patent na prąd

„Mój syn czuje się głęboko nieszczęśliwy i każdego dnia narasta w nim coraz silniej myśl, że jego kariera została zaprzepaszczona i nie może już znaleźć punktu zaczepienia” – pisał do znajomych na początku XX w. Hermann Ein­stein. Sam był statecznym inżynierem elektrykiem, tymczasem jego syn Albert uchodził za lenia i nie mógł znaleźć pracy. W końcu, ku uldze ciężko chorego ojca, w 1902 r. dostał posadę w Szwajcarskim Urzędzie Patentowym w Bernie. Tam miał dość czasu na zajęcie się frapującymi go zagadnieniami, w tym właściwościami światła. Efektem tego stał się opublikowany w 1905 r. artykuł pt. O heurystycznym punkcie widzenia w sprawie emisji i przemiany światła. Einstein dowodził, że materia i promieniowanie mogą ze sobą oddziaływać tylko przez wymianę niezależnych „kwantów” energii. Ta zasada wyjaśniała efekt fotoelektryczny polegający na emisji elektronów z powierzchni naświetlonego przedmiotu. „Praca ta dostarczyła teoretycznych podstaw dla gwałtownego rozwoju przemysłu fotowoltaicznego, jaki nastąpił sto lat później” – pisze Daniel Yergin w książce The Quest. W poszukiwaniu energii. Notabene właśnie za to odkrycie, a nie teorię względności, uczony otrzymał w 1921 r. Nagrodę Nobla. Jednak sama rewolucja technologiczna nadciągała opieszale. Wielki krok ku niej uczynili dopiero w 1953 r. Calvin Fuller i Gerald Pearson, pracujący dla AT&T Bell Labs w New Jersey. Zajmowali się wówczas ulepszeniem tranzystora, wprowadzając do konstrukcji krzem z domieszką galu. Ku ich zaskoczeniu układ scalony, gdy padały na niego promienie słoneczne, zaczynał produkować prąd. Rok później wynalazek zaprezentowali podczas konferencji Narodowej Akademii Nauk (NAS) USA. Podłączyli go do nadajnika radiowego, który natychmiast zaczął emitować sygnał. „Olbrzymia energia Słońca została uwięziona w baterii zawierającej piasek” – donosił „New York Times”, dodając, iż wynalazek „może oznaczać początek nowej ery”. Prognoza ta okazała się mocno przedwczesna. Ogniwo wykazywało efektywność sześć razy lepszą od panelu Frittsa, ale nadal było to zaledwie 6%. W konkurencji z węglem, gazem ziemnym czy ropą naftową nie miało żadnych szans na rynkowy sukces. Szczęśliwie dla fotowoltaiki trwała właśnie zimna wojna.

Z kosmosu na Ziemię

„Ktokolwiek ma kontrolę nad przestrzenią kosmiczną, będzie mieć kontrolę nad światem” – ogłosił lider demokratów w senacie USA Lyndon B. Johnson niedługo po tym, jak Związek Radziecki wyekspediował na okołoziemską orbitę Sputnika, czym zmotywował rząd Stanów Zjednoczonych do rozpoczęcia podboju kosmosu. Tymczasem wszystkie urządzenia pokładowe zarówno sztucznych satelitów, sond kosmicznych, jak i statków przewożących ludzi potrzebowały energii elektrycznej. Akumulatory szybko się wyczerpywały, a reaktory chemiczne i atomowe były konstrukcjami skomplikowanymi oraz ciężkimi. Receptę na rozwiązanie problemu znalazł Hans Ziegler, współpracownik konstruktora rakiet V-2 Wernhera von Brauna, z którym po drugiej wojnie światowej trafił do Ameryki. Niemiecki uczony pracujący dla NASA odwiedził AT&T Bell Labs i tam jego uwagę przykuły panele słoneczne. Za sprawą Zieglera zainstalowano je w marcu 1958 r. na przygotowywanym do wystrzelenia sztucznym satelicie Vanguard 1C. Zasilały one jeden z dwóch nadajników radiowych. Pierwszemu prąd dostarczała bateria. Działał on trzy miesiące. Ten czerpiący energię z panelu słonecznego zamilkł dopiero siedem lat później. Dzięki fotowoltaice Stany Zjednoczone odrobiły dystans dzielący je od dokonań Związku Radzieckiego, a następnie zyskały przewagę. Baterie słoneczne stały się standardowym wyposażeniem pojazdów kosmicznych, rząd USA wspierał zaś badania nad technologiami zwiększającymi ich efektywność. Ta w 1960 r. przekroczyła 14%. Było to sporo, ale nadal zbyt mało, by opłacało się budować elektrownie słoneczne. Jednak i to musiało w końcu nastąpić.

„Kluczowy moment sprowadzenia fotowoltaiki »na ziemię« może zostać określony bardzo dokładnie: 1 sierpnia 1973 r. Był to dzień rozpoczęcia działalności firmy Solarex w Rockville w stanie Maryland, tuż obok stolicy USA” – pisze Daniel Yergin. Przedsiębiorstwo założyli dwaj węgierscy uczeni, którzy w 1956 r. uciekli za żelazną kurtynę: fizyk Joseph Lindmayer i chemik Peter Varadi. Tamtego lata produkcja słonecznych paneli wydawała się szaleństwem, bo w epoce taniej ropy mało kogo interesowała ta nowinka. Jednak obu Węgrom sprzyjało szczęście. Jesienią na Bliskim Wschodzie wybuchła wojna Jom Kipur między Izraelem a państwami arabskimi. Żydzi wygrali dzięki wsparciu udzielonemu im przez Stany Zjednoczone. W odwecie kraje arabskie nałożyły naftowe embargo na wszystkich, którzy okazywali swoją sympatię Izraelowi. Nagły deficyt ropy na światowych rynkach zapoczątkował pierwszy wielki kryzys energetyczny.

Słoneczna polityka

„Mógłbym wam powiedzieć, że przewidzieliśmy kryzys naftowy i że to był powód, dla którego planowaliśmy otworzenie spółki. Ale byłoby to kłamstwo” – opowiadał po latach Peter Varadi. Kryzys otworzył przyszłość dla nowych technologii. Amerykański Urząd ds. Rozwoju i Badań Energetycznych (ERDA) uznał energetykę słoneczną za jeden z elementów niezbędnych do zapewnienia państwu bezpieczeństwa. Dzięki dotacjom federalnym udawało się opracowywać coraz wydajniejsze baterie słoneczne, a Solarex znajdował nabywców na swoje produkty. Zainteresowanie nimi na całym świecie spotęgował opublikowany jeszcze w 1972 r. raport Klubu Rzymskiego pt. Granice wzrostu. Prognozowano w nim, że do roku 1990 wyczerpią się światowe zasoby ropy i gazu ziemnego. W tych okolicz­nościach odnawialne źródła energii, ze światłem słonecznym na czele, stawały się jedyną nadzieją ludzkości na przetrwanie. Kumulacja obaw nastąpiła podczas drugiego kryzysu naftowego w 1979 r. Wówczas to prezydent Jimmy Carter nakazał zainstalowanie paneli słonecznych na dachu Białego Domu. Jednak nowa polityka energetyczna dobiegła końca wraz z wygaśnięciem kryzysu, gdy okazało się, że ropy naftowej jest pod dostatkiem. Nowy prezydent Ronald Rea­gan swoje urzędowanie rozpoczął od usunięcia baterii słonecznych z dachu Białego Domu, uważając, iż stały się one symbolem kapitulacji Ameryki. Po czym zwiększył kontyngent wojsk USA na Bliskim Wschodzie, by tak zagwarantować supermocarstwu energetyczne bezpieczeństwo. Fotowoltaika przegrywała po raz kolejny, ponieważ nadal była zbyt droga i mało wydajna. Panel słoneczny o powierzchni 1 m² wytwarzał moc rzędu 50–100 W, czyli tyle, by zasilić jedną standardową żarówkę.

Musiały upłynąć aż trzy dekady udoskonalania technologii, żeby znacząco zwiększyć wydajność. Dopiero dzięki temu z początkiem XXI w. budowanie elektrowni słonecznych oraz korzystanie z paneli zaczęło się kalkulować. Sprzyjały temu proekologiczna polityka zainicjowana przez Unię Europejską oraz chińska przedsiębiorczość. Państwo Środka po 2010 r. podbiło światowe rynki tanimi panelami słonecznymi, nieustępującymi jakością produkowanym przez firmy zachodnie. O tym, że interes zaczął się wreszcie kręcić, najlepiej świadczył fakt, że w 2011 r. kwoty inwestowane w biznes fotowoltaiczny przekroczyły na świecie sumę 100 mld dolarów. Pierwsza komercyjna elektrownia słoneczna Planta Solar 10, uruchomiona w 2004 r. pod Sewillą w Hiszpanii, miała moc 11 MW, co wystarcza do zaspokojenia wszystkich potrzeb mieszkańców około 5,5 tys. domów. Zbudowana 10 lat później przez koncerny Google, NRG i BrightSource Energy elektrownia w Ivanpah pod Las Vegas ma moc 392 MW i dostarcza prąd do 140 tys. domów. Przy czym jej twórcy uznali, że ogniwa słoneczne są zbyt mało wydajne i postanowili reaktywować koncepcje Archimedesa oraz Leonarda da Vinci. Ustawili zatem 173 500 wklęsłych luster w okrąg, skupiając ogniskową na wielkim kolektorze wodnym.

Genialna w swojej prostocie konstrukcja ma jednak wadę. Wysoka temperatura, jaką generuje, zabija rocznie ponad 3,5 tys. ptaków. Tymczasem szykuje się już pobicie rekordu mocy dzierżonego przez elektrownię w Ivanpah. W marcu 2018 r. władze Arabii Saudyjskiej ogłosiły, iż wspólnie z japońskim koncernem technologicznym SoftBank za 200 mld dolarów zbudują na pustyni elektrownię słoneczną o mocy 200 GW. To dwa razy więcej niż moc wszystkich elektrowni foto­woltaicznych, które funkcjonują obecnie na całym świecie. Jeśli na Półwyspie Arabskim taka powstanie i okaże się opłacalna, wówczas na pewno znajdą się inwestorzy gotowi na jeszcze większe wyzwania. Aczkolwiek dla ludzkości to nadal dopiero początek czerpania energii bezpośrednio ze światła.