Kassikuld võib osutuda elektroonikatööstuses kullast kallimaks | Teadus 3 minutiga

Tere tulemast Eestisse! Kas teadsite, et kassikuld võib osutuda elektroonikatööstuses kullast kallimaks? See põnev avastus on tehtud uuringus, mis võtab vaid 3 minutit teie ajast. Elektroonikaseadmetes kasutatavat kassikulda peetakse üheks haruldasemaks ja kõige kallimaks metalliks maailmas. See avastus võib muuta meie arusaama elektroonikatööstusest ning selle mõjust keskkonnale ja majandusele. Lugege üllatavat avastust ja selle mõjusid lähemalt siin!

Räni on päikesepaneelides kasutatud juba mitukümmend aastat ning paneelide hind on endiselt üpris kõrge. Teadlased loovad järgmist põlvkonda päikesepaneelide materjale, mis võiks räni asendada ning isegi Kuu peal kasutust leida.

Taastuvenergiat saab toota nii tuulest, päikesest, lainetest, Maa soojusest kui ka isegi hoovustest. Just päikeseenergiat langeb Maale aastas tuhandeid kordi rohkem, kui me ära kasutame, pakkudes sisuliselt lõputut energiaallikat. Seda elektriks muundavaid päikesepaneele on näha juba nii majakatustel kui ka lagendikel suurtes päikeseparkides. Siiski on vaid vähesed inimesed paigaldanud päikesepaneelid oma koju – üks tähtsam põhjus on nende kõrge hind, kirjutab Tallinna Tehnikaülikooli doktorant-nooremteadur Katriin Kristmann.

Osaliselt on viimase taga päikesepaneelide koostis. Tänapäeval on peaaegu kõik tavakasutuses olevad päikesepaneelid on valmistatud ränist. Räni on pealtnäha soodne, Maal külluses saadaolev materjal, sest liiva ehk ränidioksiidi leidub kõikjal. Selleks, et räni liivast eraldada, tuleb seda kuumutada aga ligi 3000 ⁰C juures ja pärast seda puhastada peaaegu sama kõrgel temperatuuril. Need töötlused on väga energiamahukad. Samuti läheb päikesepaneelide ränielementide valmistamisel osa materjali tootmisprotsessis kaduma.

Räni hinda mõjutab ka nõudlus – kõik elektroonikaseadmetes kasutatavad arendusplaadid sisaldavad väga puhtast ränist valmistatud komponente. Räni on nendes komponentides äärmiselt raske asendada. Seetõttu uurivad teadlased, kuidas saaks valmistada päikesepaneele soodsamatest väiksema energiakuluga toodetavatest materjalidest.

“Püriit ehk kõnekeeles kassikuld on huvitav, sest tegemist on üleüldse kõige soodsama materjaliga, millest on võimalik päikesepaneele valmistada.”

Selleks sobivaid materjale on palju erinevaid. Isegi kõige esimest päikesepaneeli ei tehtud mitte ränist, vaid seleenist. Päikesepaneele tehakse ka teistest ühenditest nagu kaadmium-telluriidist, gallium-arseniidist, vask-indium-gallium-seleniidist jne. Mina otsin oma teadustöös võimalust rauddisulfiidist ehk püriidist päikesepaneelide valmistamiseks.

Püriit ehk kõnekeeles kassikuld on huvitav, sest tegemist on üleüldse kõige soodsama materjaliga, millest on võimalik päikesepaneele valmistada. Seni pole aga püriiti laialdaselt kasutusele võetud, sest teadlased pole suutnud lahendada püriidi olulist kitsaskohta – materjalil põhinevad päikesepaneelid muundavad elektrienergiaks vaid väga väikese osa paneelile langevast päikesevalgusest. See tähendab, et neil päikesepaneelidel on praegu veel väga väike tõhusus.

Madalal tõhususel võib olla mitu põhjust. Teadlased on kindlaks teinud, et püriidi pinnale tekib pärast materjali sünteesimist või sadestamist õhuke oksüdeerunud kiht. Selle omadused erinevad püriidi põhilistest omadustest.

Rauast ja väävlist koosneva kassikulla kasutamise jaoks on vaja, et mõlema elemendi osakaal materjalis oleks täpselt kaks väävli aatomit ühe raua aatomi kohta. Pinna oksüdeerudes ja ka välisõhu mõjutuste tõttu võib väävel püriidi pinnalt aga hoopis aurustuda, mõjutades samuti pinna omadusi. Püriidi pinna parandamiseks saab kasutada materjali söövitamist redutseerivates lahustes. Samuti võib olla kasu värskelt sünteesitud materjali järeltöötlusest, kuumutades seda väävli aururõhus.

Minu uurimistöö eesmärk ongi välja selgitada, kas need töötlused parandavad püriidi pinda ja võimaldavad seda kasutada tõhusamates päikesepaneelides. Täpsemalt uurin püriidi kasutamist monoterakiht-päikesepaneelides. Sellised päikesepaneelid on õhukesed, kerged ja painduvad, meenutades välimuselt liivapaberit. Paneele saab ilma metallist tugikonstruktsioonideta paigaldada otse näiteks majade fassaadidele ja linnamööblile.

Monoterakiht-päikesepaneel. Foto: Marja-Liisa Plats.

Valgust neelavas kihis kasutatakse monotera-paneelides õhukest kihti üksteise kõrvale asetatud pulbriosakesi, mis oleksid valmistatud just püriidist. Iga pulbriosakese läbimõõt on ligikaudu 60 mikronit ehk võrreldav inimese juuksekarvaga. Tänu õhukesele kihile on materjalikulu paneeli ruutmeetri kohta väga väike. Võrreldes näiteks kristallilisest ränist paneelidega on valgust neelav ränikiht vähemalt kümme korda paksem.

Kuna püriit on niivõrd soodne materjal ja seda saab töödelda ränist oluliselt madalamatel temperatuuridel, on hakanud püriidi vastu huvi tundma teiste seas Euroopa Kosmoseagentuur (ESA). Seda ka põhjusega.

Lisaks Ameerika Ühendriikide kosmosegentuurile ja mitmele teisele riiklikule kosmoseagentuurile plaanib ESA Kuule naasmist, et rajada sinna püsiv asustus. Agentuuri jaoks on väga oluline, et seal saaks toota jätkusuulikku elektrienergiat. Külmas ja kõledas paigas on päikeseenergia selleks peaaegu et ainus valik. Liiatigi leidub Kuu pinnasest nii rauda kui ka väävlit – kassikulla koostiosi.

“Kuna püriit on niivõrd soodne materjal ja seda saab töödelda ränist oluliselt madalamatel temperatuuridel, on hakanud püriidi vastu huvi tundma teiste seas Euroopa Kosmoseagentuur.”

Seetõttu osaleb Tallinna Tehnikaülikooli kõrval projektis ja on sellesse investeerinud ka Euroopa Kosmoseagentuur. Doktorantuuri käigus püüan leida lahenduse püriidi tõhususega seonduvatele probleemidele, et kasutada seda materjali nii Maal kui ka Kuu peal. Just püriit võib olla materjal, mis aitab lahendada olulist rohepöörde küsimust ja parandada taastuvelektri kättesaadavust.

Artikkel ilmus Eesti Teaduste Akadeemia korraldatava konkursi “Teadus 3 minutiga” raames, mille finaal toimub 2. veebruaril.

Katriin Kristmannil on juba aastaid olnud huvi kosmose vastu ning alates Ahhaa planetaariumis töötamisest on ta end selles vallas proovinud ka rakendada. Tema teadusprojektis tehakse koostööd Euroopa Kosmoseagentuuriga, et töötada välja päikesepaneele Kuu peal kasutamiseks. Lisaks on ta juhatuse esimees Eesti Tudengisatelliidi Sihtasutuses, mis saatis eelmisel aastal kosmosesse satelliidi ESTCube-2.

Kassikuld võib tõepoolest osutuda elektroonikatööstuses kullast kallimaks, kuid see avastus avab ka uusi võimalusi ressursside taaskasutamiseks ning keskkonnasõbralike tehnoloogiate arendamiseks. Teadlased peavad jätkama uurimistööd, et leida viise kassikulla efektiivsemaks tootmiseks ning selle kasutamiseks elektroonikatööstuses. Samuti on oluline leida tasakaal kullavarude säilitamise ja keskkonna kaitse vahel, et tagada jätkusuutlik tulevik. See avastus tõestab, kui oluline on teadusuuringud ja innovatsioon elektroonikatööstuse arengu ja keskkonnakaitse seisukohalt.