(Sadece Özel Kullanıcılar İçindir) Dünya'daki enerji kaynakları tükendikçe, bilim insanları, şimdi sonsuz enerji kaynağı Güneş'ten yararlanmanın yollarını araştırıyor. Uzun vadeli çözümlerin başında, uzayda bir enerji istasyonu kurmak ve burada güneş ışığından elde edilen elektriği lazer ışınları veya mikrodalgalar aracılığı ile Yeryüzü'ne gönderme projesi geliyor. Diğer çözüm ise daha kısa vadeli. 1954 yılından bu yana üzerinde çalışılan fotovoltaik piller, şu anda gelecek için en fazla umut vaat eden teknoloji. Bu pillerde ışığı elektriğe dönüştürme sürecinde yaşanan tıkanıklık giderildiği takdirde, yüzyılın enerji sorunu büyük ölçüde giderilmiş olacak.
Fotovoltaik güneş pillerinde büyük verim artışı %50'ye çıktı ve gelecek için büyük umut ışığı yandı.
Kuramsal açıdan dünyanın enerji sorunu kolayca çözülebilirmiş gibi duruyor. Örneğin ABD'nin Teksas eyaletinin yarısı büyüklüğünde, güneş alan bir toprak parçasının üzerine düşen güneş enerjisinin %20'sini yakalayabilirseniz sorunu anında çözmüş olursunuz. Böylece dünyanın tüm enerji gereksinimini karşılayacak yeterli miktarda enerji kaynağına sahip olursunuz.
Bu sorunun çözümü gerçekten bu kadar kolay mı? Yıllardır güneş enerjisinin tek çözüm olduğuna inanan bilim insanları, her yeni teknolojiyi bu yolda ileri bir adım olarak değerlendiriyor.
Ne yazık ki bu yoldaki girişimler her seferinde başarısızlıkla sonuçlanmak gibi bir talihsizliğe uğradı. Bunun nedeni, büyük ölçüde teknolojinin pahalı ve düşük verimli olmasıdır. Ayrıca alternatif enerji kaynağı olarak bu teknoloji hiçbir zaman nükleer ve rüzgâr enerjileri gibi devletten para yardımı görmedi.
Ancak bu sefer durum farklı. Siyasi kararların, ekonomik baskıların ve teknolojik ilerlemelerin aynı noktada kesişmesi, güneş enerjisinden yararlanma döneminin başlatılmasını artık gerekli kılıyor.
FOTOVOLTAİK PİLLER
İnsanlığın tüm enerji gereksiniminin güneş tarafından karşılanması beklentisi -2005 yılında yaklaşık 15 terawatt- artık daha gerçekçi bir zemine oturuyor. Bunun nedenlerinin başında petrol fiyatlarındaki anormal artışlar, fosil yakıtlarının yol açtığı kirlilik ve güneş enerjisi ile çalışan pillerin giderek artan verimliliği geliyor. Güneş ısısından yararlanarak elektrik üretme yöntemleri her geçen gün geliştirilirken, devrim niteliğinde en gerçekçi gelişme fotovoltaik (PV) pillerde yaşanıyor.
1954 yılında ilk PV pilin Bell Laboratuvarları 'nda geliştirilmesinden bu yana, bir pilin ışığı elektriğe dönüştürme verimliliği, bu teknolojinin en hassas noktası olarak değerlendiriliyor. Sorun PV pillerinin çalışma şeklinden kaynaklanıyor.
Bir PV pilinin en önemli parçası yarıiletken malzemesidir. Bir foton bu malzemeye çarptığı zaman bir elektron serbest kalır. Bu elektron bir iletken tarafından devreye doğru yönlendirilir ve arkasında bıraktığı "delik", devrenin diğer ucundaki başka bir elektron tarafından doldurulur. Bu süreç elektrik akımı yaratır.
Güneşten yarıiletkene ulaşan fotonlar farklı enerjilere sahiptir ve hepsi elektron çıkartmaz. Her yarıiletken
malzemenin kendine özgü bir "bant aralığı" vardır. Fotonlar, yarıiletkenin elektronlarını tamamen yerinden edecekse, bu, enerji değerini aşmak zorundadır. Eğer fotonlar çok zayıfsa malzemenin içinden geçerler; çok enerjik iseler enerjilerinin yalnızca bir kısmı elektriğe, artakalan kısmı ısıya dönüştürülür. Bazılar tam doğru değerdedir. Genel kurala göre fotonlar bant aralığına yakınlaştıkça PV pillerin verimi artar.
PV PİLLERDE VERİM ARTTIRIMI
Bell Laboratuvar'ları üretimi kolay ve ucuza çıkan silikonun, güneş ışığı altında foton enerji spektrumu için en ideal bant aralığına sahip olduğunu ortaya çıkarttı. Bu durumda dahi, laboratuvarın ürettiği ilk pilin verimi %6 civarındaydı. Uzun süre bu gelişmeler karınca hızında ilerledi. Verim en iyi koşullarda yüzde onlara çıkartıldı ve bütün bu
araştırmaların maliyeti ancak uzay araştırmaları ve milli savunma bütçesinden karşılanabiliyordu. Son on yılda %20 verimli pillerin ticari üretimi sağlandı. Bu arada laboratuvarların verim arttırma çabaları kesintisiz devam ediyor.
Geçen
yıl Newark, Delaware Üniversitesi'nden Allen Barnett ve meslektaşları %42.8 verimli bir tasarım ile yeni bir rekora imza attılar. Barnett, %50 verimli pillerin yakında piyasaya çıkabileceğini müjdeliyor. Modern üretim teknikleriyle birleştirilen bu tür tasarımlar, maliyetlerin giderek düştüğünün sinyallerini veriyor.
DÜNYADA PV PİLLERİ
Sonuç olarak dünyanın en pahalı elektriğini ödeyen Japonya'nın ve İtalya'nın bazı bölgelerinde, güneş kaynaklı elektrik enerjisinin maliyeti, doğal gaz ve nükleer enerjiden elde edilen elektriğin maliyetine yaklaşıyor. Diğer taraftan ABD'de konvansiyonel yöntemlerle üretilen elektriğin ortalama fiyatı kilowatt saat başına 10 sent. Güneş kaynaklı elektriğin maliyeti bunun iki katına kadar düşüş gösterdi. Bu da PV pilleri için büyük bir hızla gelişen bir piyasa anlamına geliyor. Bu piyasanın büyüme hızı bugün yılda %35 civarında . Bütün bu gelişmeler özel yatırımcıların da ilgisini çekiyor. Dolayısıyla PV pilleri üreten şirketlerin değerleri de borsada sürekli olarak yükseliyor. Sonuç olarak bugün güneş enerjisi, küresel piyasaların en hızı gelişen sektörü haline gelmiş durumda.
ABD'den sonra güneş devrimini yaşama geçiren ülkelerden biri de Almanya. Geçen yıl yükselen petrol fiyatları ve küresel kirlilik gibi konuların tartışıldığı alman Parlamentosu'nda, güneş enerjisi sektörünün desteklenmesi için karar alındı.
Güneş enerjisinden yararlanarak elektrik üreten şirketler, elektriği kilowatt saati 0.45 ile 0.57 avroya ulusal elektrik şebekesine satabilecekler. Bu fiyat, tüketicilerin elektriğe ödedikleri fiyatın yaklaşık üç katı (kilowatt saati 0.19 avro). Böylece devlet, enerji üreten şirketleri sübvansiyon ile destekleyerek güneş enerjisine yatırım yapmalarını teşvik ediyor.
Bugün PV pilleri üretiminde Almanya en hızlı gelişen piyasaya sahip. Geçen yıl İspanya ve İtalya da Almanya'nın izinden ilerleyerek kendi yasal düzenlemelerini yaşama geçirdiler.
ÜRETİMDE ÇIKMAZ SOKAK
Hükümetler bu teşvik tedbirleri sayesinde PV araştırmalarının ve üretim teknolojilerinin gelişeceğini, buna bağlı olarak da maliyetlerin düşeceğini umuyor. Bütün bu gelişmeler PV pilleri sanayini bir çıkmaz sokağa yönlendirebilir mi? Burada kaygı uyandıran nokta, silikon PV'lerin kuramsal verimlilik sınırına -%30- çok yakında ulaşma olasılığı. Avustralya'daki Yeni Güney Wales Üniversitesi'nden Martin Green %74 verimlilik sınırına sahip malzemelerden pil üretiminin mümkün olduğunu söylüyor. Ekonomi uzmanları sübvansiyonların piyasayı canlandırma işlevi gördüğünü, ancak halihazırdaki PV pillerinin maliyetinin teknolojinin yaygınlaşmasının önünde çok büyük bir engel
oluşturduğuna dikkat çekiyor. SİLİKONA ALTERNATİF
İşte bu nedenle bilim insanları alternatif tasarımların peşine düşmüş durumda. Üretilebilecek en ucuz pil, ince-film pilleri. Bu pillerde yarıiletken bileşimler esnek bir yapı (substrat) üzerine spreyle püskürtülüyor. İnce-film pilleri, normal bir PV pili için gereken malzeme hacminin %1'irini kullanıyor ve bant aralıkları da filmi oluşturan
hammaddelerin oranlarını ayarlayarak geliştirilebiliyor.
Güneş-pili tasarımında devrim niteliğindeki başka bir gelişme de mercek kullanımıdır. Mercekler PV malzemesi üzerine düşen ışık miktarını büyütür. Bu tasarımcıların başında Kaliforniya'da bulunan Soliant Energy geliyor. Bunların geliştirdiği PV modülü kutuya benziyor. Bu tasarım pilin maliyetini büyük ölçüde düşürüyor.
Dünyada ucuz ve kolay üretim teknikleriyle PV pilleri üretmek için kolları sıvayan çok sayıda şirket bulunuyor. Bunlardan bazıları kuantum noktaları denilen nanokristallerden yararlanıyor. Bu malzeme PV pillerinin verimini %42'lere taşıyacak.. Nanokristallerin özel nitelikleri bir fotonun dört elektron salgılaması anlamına geliyor. Santa Barbara'daki Kaliforniya Üniversitesi'nden Allen Heeger başka bir yaklaşım deniyor. Gelen fotonların
elektronları serbest bırakmasına izin veren yepyeni bir plastik geliştiren Heeger, bu özel plastiğin silikon ve diğer fotovoltaik malzemeler gibi elektriği ilettiğini söylüyor.
Güneş enerjisinin esas geleceği pek çok uzmana göre PV pilleri sektöründe gizli. Akıllı yeni tasarımlar sayesinde yüksek verimli, ucuz PV pillerinin üretiminin gerçekleşmesi an meselesi. Güneş enerjisini "ehlileştirme" yolundaki uzun ancak inatçı çabaların çok yakında meyvelerini vermesi bekleniyor.
UZUN VADELİ ÇÖZÜM
Uzay enerji istasyonu yaşama geçirildiği takdirde, bugüne kadar yörüngede insan elinden çıkmış en büyük yapı olma özelliğini kazanacak. Uluslararası Uzay İstasyonu bunun yanında cüce kalacak. Hepsinden öte, bu yapı insanoğlunun enerji darboğazını aşmasında kilit bir rol oynayacak.
Uzay enerji istasyonu mühendislik açısından devasa ölçekte olmakla birlikte, uzay güneş enerjisinin ardında yatan fikir oldukça basit. Özetle devasa güneş panelleri yörüngeye yerleştirilecek ve daha sonra bunların ürettiği
elektrik,Yeryüzü'ne yoğun lazer ışınları veya mikrodalgaların ışınlanmasında kullanılacak. Yeryüzü'ne gelen bu ışınlar elektrik akımına dönüştürülerek şebekeye aktarılacak. Böylece bir çırpıda CO 2 emisyonu ortadan kalkacak ve fosil yakıtlarına olan bağımlılığımız sona erecek. Bu ışınlar ücra köşelerdeki yerleşim alanlarına pahalı nakil hatları döşemeye gerek kalmadan elektrik sağlayacak. Hatta askerlerin istedikleri an, istedikleri yerde, elektrik ihtiyacını karşılayacak. Bir gün bu ışınlar, yeni nesil uzay araçlarına yakıt veya hava kontrol merkezlerine enerji sağlayabilecek. UZAY ENERJİ İSTASYONU
Elektriğimizi uzaydan elde etme rüyası yeni bir proje değil. Onlarca yıldır üzerinde spekülasyonlar yapılmasına karşın çok pahalı olduğu gerekçesiyle bugüne dek yaşama geçirilmesi için somut bir girişimde bulunulmadı. Ancak bu tutumun yakında değişmesi bekleniyor. Enerji fiyatlarının artması ve yakıt kaynaklarının güvenliği öncelik kazanmaya başladıkça geçen mayıs ayında Massachusetts Institute of Technology'de toplanan bilim insanları bu projenin yaşama geçirilmesinin yararlı olacağına karar verdiler. Ayrıca Pentagon da projenin askeri yararlarının maliyet faktörünün önüne geçmesi gerektiğini vurguladı.
Bu proje ilk kez 1968 yılında Massachusetts'deki Arthur D. Little Danışmanlık _irketi'nden mühendis Peter Glaser tarafından ortaya atıldı. Glaser'ın tasarımında 1 kilometre uzunluğunda bir mikrodalga anteni Dünya'ya enerjiyi ışınlarken, güneş panelleri güneşe yüzünü dönecekti. Yerdeki alıcı anteni uzaydaki kadar devasa boyutta olmak zorundaydı. Bu gerçekten çok iddialı proje, öngörüldüğü şekilde çalışması durumunda dünyanın enerji sorununa kesin çözüm getirebilirdi. Dünya atmosferinin ötesine yerleştirilen güneş panelleri yerde üretilebilecek elektrik miktarının 20 mislini üretebilir. Geceler ve bulutlu günler için yerde bir de depolama ünitesi bulundurulması planlanıyordu.
Proje 1970'li yıllarda, teknik açıdan uygulanabilir bulunmakla birlikte, maliyetinin çok yüksek olması nedeniyle rafa kaldırıldı. Bugünkü fiyatlarla ilk uyduyu üretip yörüngeye yerleştirmek 1 trilyon dolar tutuyordu. Uzay güneş enerjisi projesi üzerinde çalışan NASA eski araştırmacısı John Mankins, o günden bu güne çok şeyin değiştiğini, yeni bilimsel gelişmelerin yardımıyla maliyetlerin ve boyut sorununun gerçekçi ölçülere indirilebileceğini ileri sürüyor. Değişen koşulların başında güneş pillerinin güneş enerjisini elektriğe dönüştürme verimliliğinin 1970'lere göre 4 misline çıkması ve bu nedenle panellerin küçültülebilmesi geliyor. Katı-hal cihazlarının mikrodalga ışınlarını, anten yerine elektronik olarak odaklayabilmesi, 1 km. uzunluğundaki antenleri de gereksiz kılıyor. Ayrıca inşaat işlerini de
artık insanlar yerine robotlar üstlenebilecek.
Ne var ki 1995 yılında proje bu kez başka bir rafa kaldırıldı, çünkü projenin mali yükünü karşılaması düşünülen NASA, yeni enerji kaynaklarının geliştirilmesinin kendi işi olmadığına karar verdi.
Japonya'da Ekonomi, Ticaret ve Endüstri Bakanlıklarının mali desteği ile Kobe Üniversitesi'nden bilim insanları bu projenin maliyetinin düşürülmesi yolunda sıkı bir şekilde çalışmalarını sürdürüyor. Geçen yıl 210 kilometre
yükseklikte yörüngeye 130 metre kare genişlikte bir ağ yerleştirdiler.
donanmış yüzlerce robotun, güneş enerjisi ışınlarını Dünya'ya geri göndermeleriydi. Öncü niteliğindeki deneme başarıyla sonuçlanmasına karşın sonuçlar henüz yayımlanmış değil.
Bu konu yakında M.I.T.'de toplanması planlanan uzay güneş enerjisi panelinde tartışmaya açılacak. Projenin önündeki en önemli engeller, yüksek kurulum maliyeti ve uzaydan gönderilen ışınların ticari uçaklara zarar verme olasılığı. M.I.T. raporu olumlu çıkarsa uzay güneş enerjisi projesi gündeme girecek; olumsuz çıkarsa bu 40 yıllık fikir raflarda tozlanmaya devam edecek.
Derleyen: Reyhan Oksay
Kaynak: New Scientist, 8 Aralık 2007 ve 24 Kasım 2007 Cumhuriyet Bilim Teknik 4.01.2008
