«Эффект бабочки» для энергетики: как природа помогает ученым обуздать энергию Солнца
Леонардо да Винчи, рисуя чертежи для летательных аппаратов, вдохновлялся крыльями птиц и насекомых. Сегодняшние инженеры ищут подсказки для создания новых технологий в наноузорах на крыльях бабочек и структуре лепестков. Какие секреты насекомых и цветов помогают совершать открытия современным ученым?
Секрет 34 градусов
Солнечные панели появились благодаря изучению фотогальванического эффекта, который открыл французский физик Беккерель в 1839 году и математически объяснил Альберт Эйнштейн в 1905 году.
Первые практические фотоэлементы создали на основе кремниевых полупроводников. Драйвером развития этих технологий альтернативной энергетики в середине XX века стали космические программы — например, солнечные панели использовали для питания спутников.
Позже, в XXI веке, структура фасеточных глаз насекомых, обладающих антибликовыми свойствами, подтолкнула ученых к созданию улучшенных покрытий для солнечных элементов.
Сегодня солнечную энергетику продолжают развивать с помощью технологий, позаимствованных у природы, и одними из самых увлекательных находок в ее коллекции стали… бабочки.
В 2015 году ученые исследовали поведение белянок и капустниц во время принятия солнечных ванн. Выяснилось, что насекомые складывают крылья под углом в 34 градуса: в таком положении их чешуйчатая структура отражает свет прямо на мышцы. Таким образом бабочка быстрее разогревается перед полетом.
Угол в 34 градуса начали закладывать в прототипы тонкопленочных солнечных концентраторов. Эти устройства преобразуют энергию фотонов в тепло, а затем при помощи генератора — в электричество.
Наблюдение за бабочками помогло создать прототип солнечных панелей, КПД которых вырос в полтора раза, а масса уменьшилась в 17 раз.
Крыло против кремния
«Кто был тот ювелир, что, бровь не хмуря, нанес в миниатюре на них тот мир, что сводит нас с ума?» Так писал о бабочках Иосиф Бродский — и действительно, на поверхности их крыльев есть наноузоры. Эти структуры меньше длины волны света, способные по-особому преломлять, рассеивать и фокусировать фотоны. На основе строения этих наноузоров ученые создают гибкие и легкие фотоэлементы. Они уменьшают перегрев солнечной панели, подстраиваются под угол падения лучей и меняют цвет в зависимости от освещения.
Природа создает разнообразные узоры на крыльях бабочек с помощью разнообразных пигментов в их чешуйках. Яркая окраска чешуекрылых может быть предупреждающей, потому что некоторые тропические мотыльки ядовиты. Иногда с помощью своих узоров неядовитые виды имитируют опасные. Чешуйки гасят вибрацию при полете насекомого, что делает его почти беззвучным.
Татьяна Виноградова
Кандидат биологических наук, популяризатор науки
Крылья бабочек Papilio ulysses содержат множество наноотверстий, которые работают как естественный солнечный коллектор. Созданная по их образцу матрица улавливает почти весь свет в диапазоне теплого желто-оранжевого спектра — около 600 нанометров. Это экономит до 84% материала по сравнению с современными батареями.
Коммерческие солнечные панели сделаны из слоев кристаллического кремния толщиной 200–300 микрометров. Новые наноинженерные структуры позволяют сократить этот показатель в сотни раз и повысить эффективность батарей.
Умное охлаждение
Чешуекрылые не только греются — они умеют охлаждаться. На их крыльях распределены микроскопические «радиаторы». Окрашивая нервные клетки, ученые обнаружили, что у мотыльков есть целая сеть механических и температурных датчиков. Они помогают регулировать нагрев жилок через кровеносную и дыхательную системы. В результате тепло отводится от наиболее чувствительных участков тела — и насекомое не перегревается даже под палящим солнцем.
В 2023 году китайские ученые воспроизвели принцип строения крыла Morpho menelaus в охлаждающих покрытиях. Одно из них — тонкая полимерная пленка, которая под прямыми солнечными лучами остается на два градуса холоднее окружающего воздуха. Такой материал может использоваться на окнах или крышах зданий либо автомобилей, чтобы снизить затраты на кондиционирование воздуха.
Для внутрикомнатных или космических энергогенерирующих элементов легкие концентраторы, вдохновленные поверхностью крыла бабочки, могут оказаться интересным усовершенствованием.
Марина Теплякова
Старший научный сотрудник центра энергетических наук и технологий Сколтеха
От бабочек к стрекозам и «солнечным листьям»
У стрекоз подсмотрели форму крыльев, чтобы улучшить аэродинамику лопастей ветряных турбин, которые после доработки начали захватывать воздух плавнее и эффективнее. Растения вдохновили специалистов на создание «солнечных листьев» — гибких фотоэлементов из полимеров, которые буквально тянутся к свету, как подсолнух за солнцем.
Благодаря аналогичному подходу появилась солнечная панель, имитирующая строение листка растения. В ней предусмотрена система отвода избыточного тепла: испарение воды охлаждает фотогальванический элемент, что помогает избежать перегрева и увеличивает общую производительность батареи.
Многие светопоглощающие материалы для солнечных панелей вдохновлены натуральными красителями: хлорофиллом, пигментами из соков свеклы и граната. Стоило бы чаще обращаться к природе, в которой все так талантливо спроектировано до нас.
Марина Теплякова
Старший научный сотрудник центра энергетических наук и технологий Сколтеха
Бабочки и цветы — часть соавторов технологий. Хотите узнать больше? Читайте, как животные приспосабливаются к арктическому холоду и как бактерии меняют технологии нефтедобычи
