Teadus valgusest on olnud vedeliku teadusega tihedalt põimunud alates 1862. aastast, mil Léon Foucault avastas valguse kiiruse. Ta tõdes seda vaatluste käigus, millest ta järeldas, et valgus peab levima vees aeglasemalt kui õhus. Valguse erinevat füüsikalist käitumist erinevates keskkondades rakendatakse tänapäeval nii valguse kogumiseks kui ka sihipäraseks suunamiseks. Ajakirja Nature Photonics oktoobriväljaanne keskendub optovoolavuse temaatikale (ingl. k. optofluidics). Tegemist on teemavaldkonnaga, mis ühendab omavahel optika ja mikroskoopilistes kogustes voolavate vedelike füüsikaga. Enamasti tehakse katseid spetsiaalselt konstrueeritud nn. mikrovedelik-rakkudes (ingl. k. microfluidic chips), mis kujutavad endast läbipistvaid mikrokanalitest koosnevaid vedeliksüsteeme.
Šveitsi Riikliku Tehnoloogiainstituudi École polytechnique fédérale de Lausanne´i (EPFL) Tehnikaülikooli dekaani Demetri Psaltise ja kaasautorite kirjutatud ülevaates arutletakse optovoolavuse võimaluste üle, leidmaks lahendeid selle sajandi kõige probleemsemas valdkonnas – energeetikas, kirjutab Physorg.com.

Kombineerides nanotehnoloogiat optikaga, on võimalik tõsta bioreaktorite tõhusust. Pilt: EPFL / Greg Pasche
,,Suunates valgust ja keskendudes selle kõige efektiivsematele kasutusaladele , võiksime suuresti tõsta hetkel kasutatavate energiatootmissüsteemide, näiteks biokütuse reaktorite ja päikesepatareide tõhusust ning luua ka täiesti uusi energia tootmise mooduseid,” selgitas Psaltis, rõhutades järgnevat: ,,EPFL on maailma juhtivaim asutus optovoolavuse uurimises ning meil on võimalus arendada tõeliselt efektiivseid energiaallikaid.”
Lisaks tavapärastele opto-elektrilistele päikesepatareidele kasutatakse päikesevalgust energia tootmises ka teistel printsiipidel põhinevana. Näiteks kasutatakse seda suurtes tööstuslikes biokütusejaamades vee ja süsihappegaasi muutmisel metaaniks. Päikesevalguse kontsentreerimiseks rakendatakse tihti prismasid ja peegleid, et soojendada vett elumajade katustel. Nendes tehnikates rakendatakse juba praegu optovoolavuse printsiipe – kontrollitakse ja manipuleeritakse valguse ja vedeliku ülekannet – kuid tihti ilma nano- ja mikrotehnoloogia täpsuseta.
Futuristlik näide: optovoolavusel põhinev solaarvalgustussüsteem
Kuidas oleks võimalik kasutada ära hoone välisseinale langevat valgust? Võib ette kujutada päikesevalgust, mida suunatakse hoone sisse. Optovoolavusel töötav päikesevalgussüsteem oleks võimeline püüdma katustelt päikesevalgust, kasutades valgust kontsentreerivat süsteemi. See jälgib Päikese liikumise teekonda, muutes vee abil süsteemi optilisi omadusi, näiteks murdumisnäitajat. Päikesevalgus suunatakse seejärel kiudoptilistest kaablitest valmistatud valgustorude kaudu läbi kogu hoone kontoriruumide lagedesse, siseruumide päikesepaneelidesse või isegi mikrovoolavusel töötavatesse õhufiltritesse. Kirjeldatud võimalikud päikesevalguse kasutusviisid rakendaksid päikeseenergiat uudsel moel taastumatute allikate asendajana.
Seesugustes süsteemides oleks oluline eraldada teisese tähtsusega seadmed esmatähtsatest, näiteks õhufiltrid päikesepaneelidest, et luua mugavalt püsiv valgusallikas laevalgustuse tagamiseks. Valgusallika värelemine mööduva pilve tõttu oleks talumatu. Moduleerimaks neid erinevaid kanaleid selleks, et säilitada püsiv valgusallikas, võiks kasutada elektromärgamist (electrowetting) rakendavat süsteemi. Selle abil oleks võimalik suunata valgust hõlpsasti ja taskukohaselt ühest kanalist teise. Süsteemi toimimiseks peaks valgustoru pealispinnal olema veepiisk. Väike elektrivool ergastaks vees olevaid ioone, surudes nad veetilga ühte äärde. Selle tagajärjel laieneks tilk piisavalt, et puudutada teise toru pinda. Nii loob laiendatud veepiisk valguse silla kahe paralleelse valgustoru vahele, modereerides tõhusalt kumbagi toru läbivat valguse hulka.
Mastaapide suurendamine tööstuslikuks kasutamiseks
,,Optovoolavuse põhiväljakutse energia valdkonnas seisneb nano- ja mikrovalguse ning vedelike manipuleerimise täpsuse säilitamises. Seda silmas pidades on tarvis luua tööstuse suuruseid seadeldisi, mis oleksid piisavalt suured populatsiooni energianõudluse rahuldamiseks,” selgitas professor David Erickson ja jätkas: ,,Nagu ka superarvuti on kokku pandud väikestest elementidest, järgiks optovoolavusel põhineva tehnoloogia mastaabi suurendamine sarnast mudelit – super-reaktori loomiseks oleks vaja integreerida omavahel paljud vedelad kiibid.”
Kuna enamik vedelik-kanalites toimuvaid reaktsioone kulgeb vedeliku ja katalüsaatoriga vooderdatud torude kokkupuutekohas, sõltub süsteemi tõhusus sellest, kui suur ala pinnast võimaldab reaktsioonide toimumist. Kanalite suuruse vähendamine mikro- ja nanoskaalasse võimaldaks tuhandete lisakanalite loomist sama suures ruumiosas, suurendades üldpinda ja samas vähendades selle vajalikku suurust (ning sellest tulenevalt ka hinda) katalüütiliste ja keemiliste reaktsioonide võimaldamiseks. Lisades valgusallika katalüsaatorina üksikute molekulide suunatud voolule mikro- ja nanotorukestes, saavutatakse piisav kontroll ja kõrge energiatõhusus.
Teadusartikkel: ,,Optofluidics for energy applications“
Leave a Reply