Als de zon ondergaat, zijn zonnepanelen uitgespeeld. Maar dat kan weleens gaan veranderen.

Zonnepanelen zijn aan een enorme opmars bezig; steeds meer daken worden ermee bedekt. Maar die panelen hebben een groot nadeel; ze zijn alleen overdag in staat om energie op te wekken. Maar er gloort hoop; onderzoekers tonen namelijk aan dat het mogelijk is om ook ‘s nachts zonne-energie op te wekken. Niet aan de hand van zonlicht, maar aan de hand van door de aarde uitgestraalde zonnewarmte.

Warmte
“Alle warme lichamen geven infrarood licht af,” legt onderzoeker Ned Ekins aan Scientias.nl uit. “Als je een warmtecamera op iemand richt, dan kun je diegene zien gloeien, omdat zijn of haar lichaam warmer is dan de omringende ruimte. Op een vergelijkbare manier straalt de aarde alle energie die deze van de zon ontvangt, in het infrarood terug de ruimte in.” En die energie hebben Ekins en collega’s nu gebruikt om elektriciteit op te wekken.

Diode
Ze maken daarbij gebruik van een zogenoemde thermoradiatieve diode, bestaande uit materialen die je ook in nachtkijkers aantreft. “De thermoradiatieve diode is een halfgeleiderapparaat dat een deel van die stralingsenergie kan doorlaten. Net zoals een zonnecel de energiestroom van de zon naar de aarde onderschept, onderschept de thermoradiatieve diode de energiestroom van de aarde terwijl deze naar de ruimte uitstraalt.” Die energiestroom is indirect wel afkomstig van de zon, zo benadrukt Ekins; zonlicht heeft de aarde eerder bereikt en opgewarmd en die warmte wordt vervolgens door de aarde in de vorm van infrarode straling weer terug de ruimte in gezonden.

En met de diode kan een deel van dat infrarode licht dus geabsorbeerd worden en vervolgens omgezet worden in elektriciteit. “Net zoals een zonnecel elektriciteit kan genereren door zonlicht, afgegeven door een heel warme zon, te absorberen, geneert de thermoradiatieve diode elektriciteit door infrarood licht aan een koudere omgeving af te geven,” legt onderzoeker Phoebe Pearce uit. “In beide gevallen is het temperatuurverschil hetgeen ons in staat stelt om elektriciteit te genereren.”

Temperatuurverschil
“Het apparaat genereert dus elektriciteit door licht af te geven,” voegt Ekins toe. “Wat daarbij belangrijk is om op te merken, is dat we altijd stroom kunnen genereren als er een temperatuurverschil is. Dat temperatuurverschil is er tussen de zon (heel heet) en de aarde (warm), maar ook tussen de aarde (warm) en de ruimte (heel koud). In het geval van zonnecellen hebben we de hete zon en een koele zonnecel. Maar hetzelfde effect kan – met behulp van andere materialen – gebruikt worden om stroom op te wekken wanneer een bron warmte afgeeft aan een koude omgeving.”

Kleine opbrengst
De hoeveelheid elektriciteit die met behulp van de thermoradiatieve diode wordt opgewekt, komt echter nog niet in de buurt van de opbrengst van traditionele zonnepanelen. Sterker nog: de hoeveelheid energie die de onderzoekers in dit stadium met de thermoradiatieve diode kunnen opwekken, is maar liefst 100.000 keer kleiner dan die van een zonnepaneel. Maar Ekins denkt wel dat de opbrengst nog flink verhoogd kan worden. “Op dit moment kunnen we met onze thermoradiatieve diode een heel klein beetje elektriciteit opwekken,” stelt Ekins. “Eén van de uitdagingen van ons onderzoek was zelfs het detecteren van die opgewekte elektriciteit. Maar de theorie dicteert dat het mogelijk moet zijn om uiteindelijk ongeveer eentiende van de door zonnecellen opgewekte energie, te leveren.”

Combinatie
Met die beperkte opbrengst zijn de thermoradiatieve diodes lang niet in staat om de traditionele zonnepanelen weg te concurreren. Wel zouden ze in aanvulling op de zonnepalen gebruikt kunnen worden. “Uiteindelijk zouden de technologieën gecombineerd kunnen worden, waarbij het thermoradiatieve element achter de zonnecel zit. En voor een huishouden zou een thermoradiatief apparaat dan in het donker voldoende energie moeten kunnen opwekken om apparaten die ook ‘s nachts draaien – zoals een diepvries, de router voor de wifi, etc. – van stroom te voorzien.”

Lichaamswarmte
Maar er zijn meer mogelijkheden. Zo kan bijvoorbeeld op vergelijkbare wijze ook onze lichaamswarmte een bron van energie worden. “Overal waar sprake is van een temperatuurverschil kunnen we thermoradiatieve stroom genereren,” stelt Ekins. “Als je een warmtebeeld van mij maakt, dan zal ik in infrarood licht helder gloeien, omdat ik ongeveer 37 graden Celsius ben en mijn omgeving 20 graden Celsius is.” En dat temperatuurverschil kan benut worden om bijvoorbeeld een smartwatch van energie te voorzien. “Als we onze huidige thermoradiatieve diode opschalen naar de grootte van een horloge kan de diode op basis van lichaamswarmte al genoeg energie genereren om zo’n horloge van energie te voorzien. En wie weet kunnen we in de toekomst ook wel halfgeleiders ontwikkelen die geïntegreerd kunnen worden in kleding. In dat geval zou het mogelijk zijn om energie op te wekken uit de infraroodstraling die onze kleding afgeeft.”

Werk aan de winkel
Het is voor nu toekomstmuziek. Er moet namelijk nog wel wat werk verzet worden om van de thermoradiatieve diode die onderzoekers nu in het kader van hun proof of concept ontwikkeld hebben, te gaan naar veel efficiëntere apparaten die de nachtelijke zonne-energie op veel grotere schaal kunnen benutten. Toch zijn Ekins en collega’s voorzichtig optimistisch dat deze technologie in de toekomst een verschil gaat maken. “De thermoradiatieve diode kan helpen door energie te leveren wanneer de zon is ondergegaan,” stelt Ekins.

Een sleutelrol is daarbij in de toekomst echter weggelegd voor het bedrijfsleven. “Wij denken dat we de opbrengst nog met een factor 10.000 kunnen vergroten. Zodra de technologie het stadium bereikt waarin bedrijven geld kunnen verdienen door het product te verkopen, verwachten we dat de industrie het idee oppikt en gaat helpen om op te schalen en de kosten te verlagen.” En dan kan het snel gaan. “Als de industrie er waarde in ziet, kunnen we extreem snel vooruitgang gaan boeken.”