Муха падальна і сонячні батареї

Муха падальна і сонячні батареї

Біоніка (також біоміметика або біомімікрія, від грец. βίον — одиниця життя, ic – подібний, тобто «життєподібний») — один з перспективних наукових напрямів використання біологічних методів та структур для розробки інженерних та технологічних рішень.

Наслідування природі може привести до створення таких пристроїв, як розвідувальний орнітоптер-безпілотник, що повторює рухи крил голуба, або сонячна батарея з поверхнею, що відтворює структуру фасеточного ока мухи.

В журналі New Scientist писали про вченого, який в музеї побачив фотографії вже зниклої мухи, на якій добре збереглися краплі бурштину.

Увагу науковця привернули очі комахи, на яких він помітив ряди ґраток і припустив, що така конструкція повинна допомагати комасі вловлювати більше світла, особливо того світла, що падає під дуже гострим кутом. Після ряду дослідів його здогад повністю підтвердився.
Тому вирішено було створити ґратчасті сонячні панелі, що копіюють поверхню ока мухи. Створені за таким принципом сонячні панелі повинні виробляти більше енергії. Завдяки чому відпаде необхідність у системах наведення для націлювання панелей на сонце.

Муха падальна і сонячні батареї
Око комахи

Сонячний елемент – електронний пристрій, який безпосередньо перетворює сонячне світло в електрику. Для генерації електричної енергії світло світить на сонячну батарею і виробляється струм і напруга.

Цей процес вимагає, в першу чергу, матеріалу, в якому поглинання світла підвищує електрон до більш високого енергетичного стану, по-друге, руху цієї вищої енергії електрона від сонячного елемента в зовнішню електричну схему. Потім електрон розсіює свою енергію по зовнішньому контуру і повертається на сонячний елемент.

Різноманітність матеріалів і процесів потенційно можуть задовольняти вимоги для перетворень фотоелектричної енергії. Але на практиці майже всі фотоелектричні перетворення енергії використовують напівпровідникові матеріали у вигляді p-n переходу.

Муха падальна і сонячні батареї
Сонячні панелі

Основні кроки в роботі сонячного елемента:
– генерація з світло-генерувальних носіїв,
– набір світло-генерувальних носіїв для генерування струму,
– генерування великої напруги сонячного елемента,
– дисипація потужності в навантаженні і в паразитарній протидії (від лат. dissipatio – розсіювання).

Сонячні електростанції – це вже необхідність. Крім сонячних панелей в комплект електростанції входять: акумулятори (відповідають за накопичення енергії), інвертори (продовжують період «аварійного» споживання та перетворюють постійний потік в змінний), датчик або контролер заряду (продовжує період роботи акумулятора і відвертає його перегрівання, стежить за накопиченням гальванічної енергії).

Муха падальна або Каліфорида внесла свій вклад у підвищення ефективності сонячних батарей. Сонячна панель зі структурою поверхні, що копіює структуру очей мухи, більш ефективно збирає пряме і розсіяне світло.

Муха падальна і сонячні батареї
Муха падальна (Calliphoridae Diptera)

Група вчених з Пенсільванського державного університету (США) під керівництвом професора Акхлеша Лакхтакії спочатку спільно з італійськими колегами з університетів Салерно і Базілікати дійшли висновку, що сонячні батареї з призматичними лінзами, форма і структура поверхні яких копіюють форму і структуру поверхні ока Calliphoridae Diptera (мухи падальної), куди краще збирають пряме і розсіяне світло.

Очі Calliphoridae Diptera – півкулі, що складаються з макроструктур-шестигранників, на яких, в свою чергу, розташовані наноструктури.

Муха падальна і сонячні батареї
Дев’ять роговиць Каліфориди в нікелевій матриці для відливання (фото Akhlesh Lakhtakia)

І вже без італійських колег пенсільванські дослідники перейшли до практичного застосування теорії. Щоб виготовити виливок для поверхні, їм не довелося застосовувати виведений на першому етапі фрактальний алгоритм, що описує поверхню ока. У Каліфорид було вилучено 9 роговиць, які помістили на скляну підкладку, покриту полімерним шаром і залиту нікелем в вакуумі.

В результаті вийшла матриця для відливання (див. фото). В найближчих планах вчених – матриця на основі 30 роговиць мух, в перспективі – дослідження мікроструктури крил метеликів для з’ясування можливостей виготовлення кольорових поверхонь без барвників. Результати досліджень опубліковані в журналі Bioinspiration and Biomimetics.

Муха падальна і сонячні батареї
Внизу ліворуч: рогівка ока мухи. Справа: копія, отримана за допомогою плазмового травлення рогівки після її нікелювання. (Ілюстрації Elisabeth Sauer/Corbis, роботи авторів Пенсільванського держуніверситету)

Подібні відкриття показують, що природа – це невичерпне джерело геніальних конструкцій, які тільки треба побачити, зрозуміти і з користю використовувати.

Залишити відповідь