Új Szó - Vasárnap, 1977. július-december (30. évfolyam, 27-52. szám)
1977-11-27 / 48. szám
TUDOMÁNY*! TECHNIKA A napenergia hasznosítása A Nap évmilliók óta ontja fény- és hőenergiáját a világűrbe. Ez a kisugárzott energia tette lehetővé az élet kialakulását. Mivel a hagyományos fűtőanyagok, a fa, a szén, a kőolaj is növényi, illetve állati eredetűek, fosszilis energiatartalékaink is a napsugárzás következtében alakultak ki — ezeket egyfajta „napsugárkonzerveknek“ tekinthetjük. Annak ellenére, hogy a nap fény- és hőenergiája központi szerepet foglal el mindennapi életünkben, a legutóbbi évtizedekig kevés volt a nap hőenergiájának közvetlen hasznosítására irányuló kísérlet. Az egyenlítőhöz közel eső vidékeken mind gyakrabban alkalmazott napkohók ősét Arkhimédész találta fel. Homorú és domború tükrökkel végzett kísérletei során jutott arra a felfedezésre, hogy a homorú felületek a fényt összegyűjtik. Ö még akkor nem sejtette, hogy a láthatón túl (ultraibolya és innen (infravörös) is vannak sugarak. A fókusztörvény természetesen ezekre is érvényes. A hőenergiát az infravörös hullámok hordozzák. így a napból kisugárzott hő is összegyűjthető. A monda szerint a siracusai nők az Arkhimédész által szerkesztett tükrökkel gyújtották fel a várost fenyegető római hajóhadat. Arkhimédész csiszolt réz- és bronztükreinél lényegesen jobb minőségű tükrökkel dolgoznak a mai napkohók: a ráeső fény és hő néhány ezrelékét nyelik el csupán, a többi a tükör fókuszába helyezett céltárgyat hevíti. A Szovjetunió déli vidékein, az egyesült államokbeli Halál-sivataeban é- Kaliforniában, valamint a Dél-Franciaország- ban folyó kísérletek biztató eredményekkel kecsegtetnek: 3000 C fokos loká'is hőmérsékletet is sikerült már elérni. Mivel a vas olvndá'Dontja 1534 C fok, forráspontja pedig 3200 fok. fémek olvasztására használható ez a berendezés, ezért is nevezik a nagyméretű tükörrendszereket napkohóknak. Bár e kohók éníté'i költsége ma még meghaladja a szénfűtésű kohóét, de mivel fűtőanyaga ingyenes. hosszú távon valószínűleg az energiaszegény egyenlítői országok egyik fontos ipari berendezése lesz belőle. Sokkal nagyobb jelentőségűnek ígérkezik, bár ipari felhasználás szempontjából egyelőre még drága, a napsugázás közvetlen átalakítása villamos energiává. Kilencven évvel ezelőtt, 1887-ben Hall- wachs angol fizikus figyelte meg először, hogy a fémekből fény hatására negatív töltésű részecskék, ún, fotoelektronok lépnek ki. További kutatásai során megállapította, hogy ez a fényelektromos jelenség az alkáli fémeken mutatható ki a legjobban. Ez volt a7 p'<só bizonvtték arra hoev fénvenergia átalakítható villamos energiává. A fény hatására ugyanis megbomlik egves anyagok töltésegyensúlya, feszültségkülönbség, ennek hatására elektromos áram jön létre. A Hall- wachs által felfedezett jelentés a külső fénv- elektromosság, melynél az elektronok elhagyják a fém felületét, ha egy meghatározott hullámhosszúságú fény éri a fémet. Ehhez hasonló jelenség figyelhető meg egyes félvezetőkben (szelén, gallium, tellur, germánium, szilícium), ahol fény hatására az elektronok vándorolni kezdenek. Mivel az elektronok nem hagyják el a félvezető felületét, a jelenséget belső fénye'ektromosság- nak nevezték el. Ez a felismerés vezetett a ma már általánosan ismert napelemek felfedezéséhez. Ahhoz, hogy működésképes legyen a félvezetőből készült napelem, különféle módosításokat kell rajta végrehajtani. Az iparban használt félvezetők nagy része négy vegyértékű elem. Régebben a germániumot, újabban a szilíciumot használják a félvezetőtechnikában, amely előnyösebb elektrotechnikai tulajdonságai miatt az utóbbi időben egyedülálló helyet vívott ki magának az elektronikában: diódák, tranzisztorok és az integrált áramkörök csaknem kizárólag szilícium felhpsználásával készülnek. Hp a félvezetőhöz, pl. a négyvegyértékű szilíciumhoz ötvegyértékű elemet (arzént, foszfort) adagolnak, ennek négy elektronja kapcsolódik a szilícium négy külső elektron- jáhpz, ötödik elektronja pedjg szabaddá válik. A tiszta szilíciumban 20 0 fokon kb. egy- milllárd atoipra jut egy szabad elektron. Egymil’iomod résznyi arzénnal szennyezve már egymillió szilíciumra jut egy szabad elektron, tehát ezerszer lesz nagyobb ez elektronok koncentrációja, ezzel az anyag vezetőképessége. Ezért az ötvegyértékű elemmel szennyezett nngvobb vezetőkéoesséeű szilícium negatív töltésű, ún. n-típusú félvezető lesz. A szilíciumhoz három vegyértékű elemet (pl. índiumot) keverve ennek három elektronja kapcsolódik a szilícium négy külső elektronjához. Mivel az indium külső elektronhéján csak három elektron helyezkedik el, a kötés közben egy elektronhiány, „lyuk“ keletkezik. Egymilliomod résznyi in- diummal szennyezett szilíciumban a lyukak száma lesz ezerszer nagyobb, vagyis a vezetőképesség is az ezerszeresére nő. Ez az in- diummal szennyezett szilícium pozitív, p-tí- pusú félvezető. Ha egy szilíciumlapka egyik felén n-típusú, másik felén p-típusú félvezetőt alakítanak ki, a két félvezetőréteg között határréteg keletkezik. A határrétegen elektronok lépnek át az n-típusú részből, a p-rétegből pedig „lyukak“ az n-rétegbe, az átrendeződés után a határréteg ellenállása megnő. Ha az ily módon elektronokkal és „lyukakkal“ feldúsított diódát hő-, vagy fényhatás éri, a két rétegben generációs folyamat játszódik le, tehát az elektronok és lyukak száma megsokszorozódik, ennek következtében az elektronok pozitív, a „lyukak“ (látszólag) a negatív pólus felé kezdenek vándorolni, fe_- szültségkülönbség, illetve elektromos áram jön létre. A keletkezett áram egyenesen arányos a beeső fény intenzitásával, függ annak hullámhosszától. A jó minőségű napelemek 100 000 luxos sugárzás mellett (erős napsütés idején) 108 mW teljesítményt tudnak négyzetcentiméterenként szolgáltatni 22 százalékos elméleti hatásfok mellett, vagyis több mint egy kilowattnyit négyzetméterenként. Műszakilag nem nehéz feladat, de annál költségesebb a s'.ilícium-monokristályok előállítása. A polikristályos állapotban előforduló szilíciumot 1200 C fokra felhevítik, a félvezető megolvad, majd gondosan szabályozott hűtési eljárással három-négy centiméter átmérőjű monokristályrúd húzható belőle. Ha azonban a hűtés üteme nem megfelelő, a megszilárduló anyagot nem pontosan úgy húzzák az olvadékból, ahogy kell, ha az olvadék vegyileg nem eléggé tiszta, vagy ha mechanikus behatás éri (ütés, rázás stb.) húzás közben a szilíciumot, a kristályosodási folyamat tökéletlen lesz, hibás félvezető keletkezik belőle. Mivel csak drága és műszakilag tökéletes gépekkel lehet nagyméretű szilícium egykristályokat előállítani, az első napelemek által előállított villamos energia ára csaknem négyszázszorosa volt a hőerőművek által előállított energiáénak. Ezért kezdetben csak űrhajók, műholdak, hegycsúcsokon elhelyezett obszervatóriumok műszereinek áramellátására használták, tehát olyan esetekben, ahol csak ez volt az egyetlen mód az elektromos energia előállítására. Közben lázasan folytak a kísérletek az olcsóbb napelemek előállítására. Nyilvánvaló volt, hogy a szilícium egykristálynövesztés költségeinek csökkentésével lehet csak a napelem által előállított energiát olcsóbbá tenni. A figyelem hamarosan á jó tulajdonságokkal rendelkező polikristálynövesztés felé fordult. Ez a módszer még a napelemek hatásfokának csökkentésével is kifizetődőnek ígérkezett. A legintenzívebb kutatások természetesen a legnagyobb űrhajózási tapasztalatokkal rendelkező Szovjetunióban és az Egyesült Államokban folytak. 1976 végén közölte a szaksajtó a szenzációs hírt: a két ország tudósainak sikerült megtalálniuk a gyorsan húzható szalagkristály növesztésének a módját, s ezzel megnyitni az utat az olcsó napelem előállítása felé. Az egyetlen kristályként működő cellát nagyméretű polikristállyal helyettesítették,-az ebből készült napelem hatásfoka 10 százalék körül mogoz (500 watt négyzetméterenként). Ezzel az eljárással a napelem előállítási árát egycsapásra az egytizedére csökkentették, így már „csak“ negyvenszer drágább a napelemek által előállított villamosenergia a hőerőművekénél. A kutatók azonban még távolról sem mondották ki az utolsó szót a napelem ügyében. A kutatások fokozott erővel folynak. Kerámia alapra felvitt félvezető rétegekkel kísérleteznek, olcsóbban előállítható napelem-alapanyag kikísérletezésén is fáradoznak. Egyelőre a Szovjetunióban és az Egyesült Államokban felállított több száz négyjetméteres napelemmezők kísérleti jellegűeknek tekinthetők, azopban ha újra a tizedére sikerül csökkenteni az előállítási költségeket, minden akadály elgördül a gyakorlati alkalmazás áljából. OZOGÁNY ERNŐ A Skoda Plzen szakágazati vállalatban jó ütemben halad az első VVRR 440-es típusú atomreaktor-tartály készítése. A felvételen a Turbina üzem dolgozói a tartály alsó részének belső felületét csiszolják (A CSTK felvétele) A TOKÁMAK Prágában A huszadik század olyan szavakra tanított meg bennünket, mint komputer, lézer, szputnyik stb. Az utóbbiakhoz hasonló szóvá válik a TOKAMAK. Hosszú orosz szakkifejezés rövidítése — Toroidnaja kamera sz magnetnimi katus- kami — toroidalakú mágnestekercses kamrát jelent. A rövidített TOKAMAK kifejezés már meghonosodott a szaknyelvben. Maga a berendezés ősztől Prágában működik. A Csehszlovák Tudományos Akadémia Plazmafizikai Intézetében helyeztek üzembe egy TOKAMAK TM-1 típusú berendezést. Az irányított termonukleáris reakció fenntartásához szükséges nagy hőmérsékletű plazma előállítását teszi lehetővé. A Szovjetunióban kifejlesztett berendezés üzembe helyezésével a csehszlovák tudósok előtt új lehetőségek nyíltak a nukleáris energiatermelés tanulmányozására. A moszkvai I. V. Kurcsatov intézet berendezése a termonukleáris reakció tanulmányozására a legalkalmasabb. Mindennek nagy jelentősége van, hiszen korunk egyik legégetőbb problémája a hagyományos energiaforrások kimerülése. Milyen úton nyerünk energiát, ha kimerül a Föld kőolaj- és szénkészlete? Ma már ismerjük a választ: termikus atomreaktorok termelik majd a villamos energiát. Minden ország lehetőségeinek megfelelően építi atomerőműveit. A kérdés azonban továbbra is fennáll: mi lesz, ha föléltük Földünk uránkészleteit? A válasz itt is tudott: a könnyűelemek egyesítésekor (fúzió) felszabaduló óriási energia, amely gyakorlatilag kimeríthetetlen, hosszú távon megoldja gondjainkat. Ez az elv egy liter vízből 300 liter benzinnek megfelelő hőenergia kinyerését teszi lehetővé. Sajnos, a megvalósítás még távoli. A folyamat már megvalósult a hidrogénbombában, de megzabolázását még nem sikerült megoldani. Az irányított termonukleáris reakció fenntartásának legbiztatóbb módját éppen a TOKAMAK berendezésekben valósították meg. A könnyűelemek egyesítéséhez elsősorban ezek gyors ütköztetését kell megvalósítani. A mozgás gyorsítása csupán nagy hőmérsékletre való hevítéssel oldható meg. A kialakítandó hőmérséklet több millió Celzius fok. A második feltétel, hogy a reakció fenntartásához felhasznált energia kevesebb legyen, mint az abból kinyert. Nagy atommagsűrűség, hosszú ideig fennmaradó plazma- állapot biztosítása a követelmény. A legnagyobb gond azonban a nagy hőmérsékletű plazma elszigetelése a környezettől. A TOKAMAK berendezésben az erős mágneses tér biztosítja, hogy a tórusz alakú kamra középvonalában alakuljon csak ki az óriási hőmérséklet. A tórusz alakú kamra körül létesíthető mágneses tér erőssége 1,5 Tesla. M.aga a kamra egy transzformátor szekunder oldali tekercsét képezi és tetszőleges gázzal tölthető. A kialakuló plazmában 20 kA áram folyhat. A plazmaállapot főbb jellemzői: részecskesűrűség: 3,1013 részecs- ke/cm3, az elektronok hőmérséklete 1—3 millió C, az ionok hőmérséklete 0,3—0,5 millió C. A berendezés egyik jellegzetessége, hogy 1/20 másodperc alatt az energiafelvétele 1,5 MW. A csehszlovák kutatók a fenntartásához szükséges induktív gázhevítés kidolgozása mellett az erősáramú relativisztikus elektronnyalábok segítségével való hevítés problémáit is tanulmányozni fogják, FÜRI BÉLA XI. N m A Ceské Budéjovice-i kerületi kórház radioterápiai osztályán az elavult céziumos besugárzót felcserélték a Chirana nemzeti vállalatban gyártott Cesioterax 3n jelzésű telecéziumos besugárzóval, amely ötször több radioaktív céziumot tartalmaz, mint elődje. Ez mélyebb besugárzást tesz lehetővé a testben, s egyúttal lerövidíti a besugárzás, idejét. A nagyobb adagok nem okoznak a bőrben káros tüneteket (A CSTK felvétele) L
