I solceller gjøres lys om til elektrisitet. Det kan foregå på forskjellige måter, og nå har en forskergruppe funnet ut hvordan solceller kan være basert på jern, i stedet for det sjeldne metallet ruthenium.

Forskerne har designet en spesiell jernforbindelse – et molekyl med et jernatom i midten – som spytter ut et elektron når den blir truffet av lys. Det gjør molekylet ideelt til en type solceller som kalles Grätzel-celler.

– Målet med prosjektet var å erstatte ruthenium med noe som er mer tilgjengelig. Det klarte vi, forteller danske Tobias Harlang, som nettopp har forsvart sin doktorgrad om den nye typen solceller. I dag er han postdoktor ved kjemisk institutt ved Lunds Universitet i Sverige.

Den vitenskapelige artikkelen om det nye solcellematerialet blir publisert i tidsskriftet Nature Chemistry, og Tobias Harlang er førsteforfatter.

Blant de andre forfatterne finner man også Kasper Skov Kjær, som både er tilknyttet Lunds Universitet og Danmark Tekniske Universitet, og som for tiden arbeider videre med molekylet ved Stanford University i USA.

Solcellen blir til en tynn film

Jobben til en solcelle er å få sollys til å sette fart på elektroner, for våre elektriske apparater drives av elektroner i bevegelse.

De vanligste solcellene er produsert av halvledermaterialet silisium. De tradisjonelle panelene er ganske effektive. De beste konverterer en fjerdedel av lysets energi til strøm. Men det krever svært mye energi å produsere dem, de er vanskelige å håndtere, og det er grenser for hvor de kan brukes.

Grätzel-celler er smartere, for i stedet for stivt silisium er de basert på fargestoff som suger solenergien til seg og forvandler den til elektrisitet. Disse molekylene kan plasseres i en helt tynn og fleksibel film. Fortsatt klarer de ikke høyere effektivitet enn 12–13 prosent.

– Hvis solceller kan produseres som billige, tynne filmer i stedet for klønete solpaneler, som ikke akkurat ser bra ut, så kan alle mulige former for overflater forsynes med solceller – bygningsmaterialer, vinduer og tekstiler, sier Tobias Harlang.

– Grätzel-celler har også den fordelen at de virker godt ved lav lysintensitet og ved diffust lys – altså når det for eksempel er overskyet. Så det er bra for oss som bor i land hvor det ofte er skyer.

Erstatter sjeldent grunnstoff

De beste Grätzel-cellene er basert på molekyler bygget opp omkring ruthenium, men nå kan de altså bli billigere.

– Jern ligger det like over ruthenium i periodesystemet, så det har noen av de samme kjemiske egenskapene. Dessuten er det ikke skadelig for miljøet eller for kroppene våre, og for hvert gram ruthenium finnes det 63 tonn jern, forteller Harlang.

– Problemet har vært at molekyler basert på jern ikke har klart å holde lenge nok på energien som kommer fra lyset. Derfor har det blitt til varme i stedet for elektrisk energi.

Forskerne har funnet ut at det tar molekylet tre picosekunder – tre billiondeler av et sekund – å overføre energien til det elektriske kretsløpet.

Inntil nå har jernbaserte molekyler bare holdt på energien i 0,1 picosekund, men det nye molekylet kan klare det i opptil 37 picosekunder, så nå er det tid til å sende energien videre som elektrisitet.

– Ytelsen må forbedres

Gjennombruddet vil vekke oppsikt blant andre forskere som arbeider med Grätzel-celler. Det gjør for eksempel førsteamanuensis Torben Lund fra Roskilde Universitet, og han er begeistret da vi forteller ham hva de har oppnådd i Lund.

– Det er jo en fantastisk nyhet! utbryter han.

– Det ser absolutt spennende ut.

Da den første begeistringen har lagt seg, påpeker Lund at ytelsen fra solceller med molekylet foreløpig ikke er så imponerende.

– Det er veldig lang vei til noe som ligner praktisk bruk, sier han og påpeker at bare 0,13 prosent av energien i sollyset blir til elektrisitet i eksperimentene.

Ifølge Torben Lund må det tallet ganges med 50 eller 100 før det blir interessant.

Levetiden er en utfordring

En annen utfordring er stabilitet, sier Torben Lund:

– De må gjerne sende fargestoffmolekylene her ned til Roskilde Universitet, så kan vi finne ut om de er stabile, slik at solcellene kan holde i lang tid.

Nettopp levetiden kan være en svakhet for Grätzel-celler, men Harlang er håpefull:

– De prøvene vi har produsert, har vært utrolig stabile. De har ikke blitt brutt ned gjennom de månedene vi har observert dem. Generelt sett er jernkomplekser veldig stabile, noe som er en fordel, sier han.

Molekylet må optimeres

Inntil videre har Lund-forskerne bare sett på det første, grunnleggende trinnet i prosessen. Fortsatt er det for tidlig å si hvor effektiv og holdbar en slik solcelle kan bli.

Kjemikerne vil bruke de neste årene på å videreutvikle molekylet.

Deretter er det en ingeniøroppgave å designe selve solcellen, slik at den fungerer optimalt sammen med molekylet. Det vil altså ta tid før den nye typen solceller kan ta opp kampen mot silisiumet.

– Da kan vi forsyne fasader med solceller, og de kan komme på taket av biler, på baksiden av mobilen og mange andre steder. Vi vil kunne utnytte solens energi mye bedre enn i dag. Det er et kjempestort potensial i solenergi, avslutter Harlang.

Rerferanse:

Tobias C. B. Harlang m.fl: Iron sensitizer converts light to electrons with 92% yield. Nature Chemistry, oktober 2015. DOI: 10.1038/nchem.2365. Sammendrag.

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.

Vannstrømmene i fjorden fremstår som ganske kaotiske for de fleste av oss. Likevel er det mulig å lage matematiske modeller som forklarer hvordan vannet beveger seg.

– Lokale strømforhold avhenger av mange faktorer, blant annet vind, tidevann, saltholdighet, atmosfæretrykk og dybde. I tillegg spiller trykket i tilstøtende hav en rolle. Er det for eksempel høytrykk i Skagerrak, presses vann inn i Oslofjorden, forklarer Karina Bakkeløkken Hjelmervik.

Hun er førsteamanuensis ved Høgskolen i Buskerud og Vestfold og leder for prosjektet Fjordos, som er støttet av Oslofjordfondet. I prosjektet utvikles det avanserte matematiske modeller for å beregne havstrømmene i Oslofjorden. Slike varslingsverktøy vil ha stor betydning for blant annet skipsfart, oljevernberedskap, miljøforvaltning og arealplanlegging.

Skarpere blikk med høyere oppløsning

Norge ligger allerede langt fremme når det gjelder verktøy for varsling av havstrømmer. Modellen Norkyst800, som er utviklet av Havforskningsinstituttet, Meteorologisk institutt og Norsk institutt for vannforskning (Niva), varsler havstrømmene langs hele norskekysten med en oppløsning på 800 meter.

Det vil si at kysten er delt inn i «ruter» på 800 meters bredde, der det beregnes én verdi for strøm, én for vannstand, én for temperatur også videre, og disse verdiene gjelder altså for hele ruten.

– Norkyst800 er et fantastisk verktøy som vekker oppsikt på internasjonale konferanser, la det ikke være noen tvil om det, men selv en oppløsning på 800 meter er for lite når vi skal si noe om forholdene innaskjærs, i alle fall for en del anvendelser, sier Hjelmervik.

– Jeg liker å sammenligne med et foto. Jo mer oppløsningen øker, jo skarpere blir bildet – og jo mer informasjon inneholder det. Skal vi si noe presist om vannstrømmene der det er øyer, skjær og moloer, må vi tettere på og øke oppløsningen. Vi må med andre ord legge inn mer informasjon om lokale forhold.

Studerte strømmene i Moss Havn

Særlig høy må oppløsningen være hvis en modell skal brukes til å si noe om strømmene i et havnebasseng. Da snakker vi om en «maskebredde» på noen få meter. Det er brukt i forbindelse med en analyse av havnebassenget i Moss; en studie som inngår i Fjordos-prosjektet.

I Moss har nemlig en planlagt utvidelse av containerhavna skapt visse bølger i lokalmiljøet. Folk spør seg blant annet: Vil en utbygging endre strømmene slik at det blir vanskeligere å legge til i småbåthavna? Vil det hope seg opp løsmasser på badestrendene?

– Ved å fore modellen med detaljert informasjon om lokale forhold har vi studert om den ønskede utformingen av havna er gunstig eller ikke for strømmønsteret i havnebassenget, sier Hjelmervik.

Første skritt var å sjekke at modellen forskerne hadde laget av havnebassenget – slik det er utformet i dag – faktisk holdt vann. Det ble derfor gjort feltforsøk for å fastslå om modell og virkelighet stemte overens.

– Det var utfordrende å kartlegge strømmene i havnebassenget, siden de ble påvirket av de hyppige ferjeavgangene mellom Moss og Horten. Vi måtte utføre forsøk på nattestid der vi brukte flytende gjenstander utstyrt med GPS-sendere for å kartlegge strømmene uten forstyrrelser fra ferjene.

– Vi intervjuet også lokalkjente for å høre deres oppfatning av strømforholdene. Konklusjonen er at observasjonene ser ut til å stemme med modellen.

Deretter utførte Hjelmervik ulike simuleringer i samarbeid med Niva, både med og uten molo og med litt forskjellig størrelse på havnen.

– Vi så at den planlagte utvidelsen av kaianlegget ligger i et område med relativt lite strøm og at utbyggingen derfor vil ha liten effekt på strømmønsteret i bukta. En utbygging på motsatt side av bukta vil få større effekt, fastslår Hjelmervik.

Mossekanalen bak jetstrøm

Analysene viste at det er Mossekanalen – som ble anlagt i 1855 og skiller Jeløya fra fastlandet – som er mest interessant med tanke på strømmønsteret i Mossesundet.

For selv om det ikke er stor forskjell mellom høyvann og lavvann i Oslofjorden, kan det forekomme sterke tidevannsstrømmer lokalt. Dette er tilfellet blant annet i Mossekanalen.

– Når strømmen går sørover i kanalen ved fallende tidevann, dannes det en jetstrøm inn i havnebassenget, som i sin tur skaper en kraftig virvel som beveger seg med klokka. Og det er denne virvelen som forklarer hvorfor sand vaskes vekk fra Vårlistranda og ender opp i Sjøbadet innerst i bukta, forklarer Hjelmervik.

Viktig beredskapsverktøy

Skal man bruke en beregningsmodell på et konkret og avgrenset geografisk område, er det imidlertid ikke nok at modellen dekker området. Den må også være tilpasset det konkrete formålet den skal brukes til.

– Skal man for eksempel forstå storskalabevegelser, trenger man andre modeller enn de som brukes for å studere strømmønsteret i et trangt sund. Du trenger også andre modeller for å studere spesifikke fenomener som for eksempel strømmene i et havnebasseng enn hvis du ønsker en operativ modell for kontinuerlig varsling av været i havet, sier Hjelmervik.

Derfor utvikles det også flere forskjellige modeller. Analyser av havneutbygginger er nemlig bare ett av flere aktuelle anvendelsesområder, minst like interessant er modellenes potensial som beredskapsverktøy.

Skulle et skip gå på grunn og forårsake et oljeutslipp i Oslofjorden, er det vinden, bølgene og vannstrømmene – drivbanene i sjøen – som bestemmer hvor oljen ender opp.

– Målet er at modellen vår skal kunne brukes til å anslå disse drivbanene med stor presisjon. Det vil være et nyttig verktøy både for å styrke beredskapen og for å redusere konsekvensene når ulykken først er ute, sier Hjelmervik.

– Det er også interesse for å bruke Oslofjord-modellen i forbindelse med oppbygging av en beredskap for å hindre at fiskeparasitter sprer seg fra én elv til en annen langs fjorden.

Fleksibel modell

I modellen beregnes tidevannsstrømmene i hele Oslofjorden, helt fra Oslo Havn og ut til Helgeroa og svenskegrensa.

– Modellen gis oss stor fleksibilitet til å tilpasse varslingene til en komplisert kystlinje og til å øke oppløsningen ytterligere i områder der det trengs mer detaljerte simuleringer, sier Hjelmervik.

Referanse:

Hjelmervik, Staalstrøm og Nordby: Simulert tidevann i Oslofjorden. Tre forskjellige utforminger av havneområdet i Moss. NIVA-rapport 6717, 2014.