برداشت انرژی خورشیدی با تقلید از بال پروانه ها

رنگ سیاه روی بدن بعضی از جانوران در بالاترین حد ممکن سیاهی است. لکه‌های سیاهی که روی بال‌های بعضی از گونه‌های پروانه دیده می‌شوند ۱۰ تا ۱۰۰ برابر از زغال، آسفالت تازه، مخمل سیاه و بسیاری از اشیاء سیاه رنگی که در روز می‌بینیم تیره تر هستند. ۰۶ر۰ درصد از نور که میزان بسیار ناچیزی است اگر به این پروانه‌ها برخورد کند به چشم‌های ما منعکس می‌شود. این ویژگی انسان‌ها را بر آن داشته است تا از این سیاه ترین پوشش طبیعت برای ساخت صفحات خورشیدی که ظرفیت بیشتری در جذب نور خورشید دارند بهره بگیرند.
رنگ پروانه‌ها را که به طور عمده به رنگ ساختاری بدن آنها نسبت می‌دهند ناشی از انکسار نور طبیعی است. اما رنگ سیاه نشان دهنده این است که نور خورشید در پولک‌های بال پروانه به خوبی به دام می‌افتد. در برخی نقاط که آب و هوای سرد حاکم است، پروانه‌ها به سرعت یخ زدایی می‌شوند زیرا نور به سرعت در پولک‌های سیاه آنها تبدیل به گرما می‌شود. دانشمندان «دانشگاه اولو» در فنلاند فرایند جذب نور طبیعی در بال‌های پروانه را مورد مطالعه قرار داده اند. آنها که در واحدی به نام NANOMO در حوزه بیومیمتیک (زیست تقلید) فعالیت می‌کنند در به کارگیری مفاهیم بنیادی فیزیک در زمینه فوتونیک کاربردی، برداشت و ذخیره انرژی خورشیدی پیشگام هستند.
آنها به دقت نانوساختارهای پولک‌های سیاه را در پروانه‌های مختلف بررسی کردند و توانایی ساختار پولک‌ها در جذب نور را در صورت قرار گرفتن روی صفحات خورشیدی سیلیکونی برآورد کردند.
پولک‌های پروانه فقط چند میکرون عمق دارند. یعنی به قدری ظریف هستند که فقط کسری از سیاه ترین پوشش‌های مصنوعی ضخامت دارند. راز این سیاهی محض در موجوداتی که به معنای واقعی کلمه سبک بال هستند وجود مقدار بیش از اندازه ملانین نیست. ملانین همان رنگدانه ای است که باعث سیاهی پرهای کلاغ و مرغ‌های بهشتی، موهای گربه‌ها و بدن عنکبوت‌های طاووسی می‌شود.
علت سیاه بودن پولک‌های بال‌های پروانه‌ها چیزی نیست جز توهم نوری که ساختار سه بعدی پولک‌ها ایجاد می‌کند. نور به درون آنها نفوذ می‌کند، اما مقدار بسیار کمی‌از آن به بیرون می‌تراود. پولک‌های پروانه‌ها حتی اگر در ظاهر رنگ تیره یکسانی با یکدیگر داشته باشند، با توجه به گونه آنها دارای نانوساختارهای متفاوتی هستند. برای مثال، پولک گونه ای از پروانه‌ها به نام «بال پرنده سبز» از لحاظ ریخت شناختی متشکل از فرورفتگی‌های Vشکل بین دو برآمدگی است که با لایه‌های نازکی به هم متصل شده اند. این ترکیب ساختاری بسیار متفاوت از ساختار پولک‌های سه گونه دیگریعنی پروانه آبی ببری، پروانه زاغی و پروانه اسپانگل است. ساختار پولک‌ها در این سه گونه متشکل از برآمدگی‌های مدور است که آرایه‌هایی از یک، دو و سه منفذ بین آنها فاصله ایجاد کرده است. به علاوه، انعکاس نور در پولک‌های سیاه یکسان نیست. استفاده از این ساختارها به عنوان پوششی آنتی رفلکس (ضد انعکاس) به ذخیره نور خورشید در صفحات فتوولتائیک سیلیکونی کمک خواهد کرد. شبیه سازی‌های رایانه ای نشان می‌دهند که پس از قرار دادن این نانوساختارها بر صفحات خورشیدی، پراکنده شدن نور سطحی به میزان زیادی کاهش پیدا کرد. ساختار پولک گونه بال پرنده سبز بهترین حالت آنتی رفلکس را ایجاد کرد. با تقلید از نانوساختارهای بال پروانه‌ها پژوهشگران موفق شدند انعکاس نور در صفحات خورشیدی سیلیکونی را از ۳۵ درصد به ۵ درصد کاهش دهند. در نتیجه، جریانی که از اتصال کوتاه تولید می‌شود، یعنی بیشترین جریانی که از سلول‌های فتوولتائیک به دست می‌آید، تا ۶۶ درصد افزایش یافت. پژوهشگران فنلاندی پیشنهاد کرده اند این استراتژی را به صورت آزمایشی پیاده کنند.
بال‌های پروانه‌ها در ظاهر صاف دیده می‌شوند. اما وقتی نمای نزدیک آنها را با میکروسکوپ مشاهده می‌کنیم با منظره شگفت انگیزی رو به رو می‌شویم. با یک بزرگنمایی هزار برابر خواهیم دید بال‌های این حشره‌های زیبا پوشیده از پولک‌هایی است که در شبکه ای از برآمدگی‌ها و حفره‌ها قرار گرفته اند. این ناهمواری‌های دره مانند نور را به درون بافت اسفنجی پولک‌ها جاری می‌کنند.
در آنجا، شعاع‌های ستون مانند بافت درونی پولک نور را پخش می‌کنند تا زمانی که کاملاً جذب شود. تا چندی پیش دلیل جذب نور بسیار زیاد بال‌های پروانه‌های سیاه را شکل لانه زنبوری حفره‌های پولک‌های سطح بال می‌دانستند، اما طبق مطالعه جدید، عامل دیگری در این امر دخیل است.پژوهشگران «دانشگاه دوک» در ایالات متحده با استفاده از یک میکروسکوپ الکترونی با وضوح اسکن بالا و نیز انجام شبیه سازی‌های رایانه ای، ساختارهای میکروسکوپی بال‌های ۱۰ گونه پروانه فوق‌العاده سیاه رنگ و چهار پروانه قهوه ای تیره یا مشکی معمولی را که متعلق به آمریکای مرکزی و جنوبی و آسیا بودند مورد مطالعه قرار دادند. آنها با مشاهده دقیق پروانه‌هایی از چهار زیرخانواده مختلف دریافتند که پروانه‌های فوق العاده سیاه هم به اندازه پروانه‌های دیگر نور جذب می‌کنند و این کار را با کمک حفره‌هایی در شکل‌ها و اندازه‌های مختلف انجام می‌دهند که لزوماً لانه زنبوری نیستند، بلکه می‌توانند مستطیل یا Vشکل هم باشند.سرانجام معلوم شد که پولک‌های فوق العاده سیاه و پولک‌های سیاه معمولی هر دو از برآمدگی‌هایی در سطح و ستون‌هایی در داخل تشکیل شده اند. اما تفاوت کلیدی پولک‌های این دو گروه پروانه در این است که در گونه‌های فوق العاده سیاه، برآمدگی‌ها و ستون‌ها در عمق بیشتری هستند و ضخامت بیشتری هم دارند. در شبیه سازی‌های رایانه ای دیده شد که پولک‌های فاقد برآمدگی یا ستون‌های داخلی تا ۱۶ برابر بیشتر نور را منعکس می‌کردند.
درباره تأثیری که مطالعه روی ساختار بال‌های پروانه‌ها در ساخت سلول‌های خورشیدی داشته اند در نقاط دیگر دنیا هم پژوهش‌هایی انجام گرفته اند. برای مثال، مهندسین دانشکده مهندسی «دانشگاه ملی استرالیا»(ANU) نیز با الهام گرفتن از پروانه دیگری به نام «آبی غول پیکر» ساختارهای ریزی ابداع کرده اند که درها را برای فناوری‌های جدید ساخت سلول‌های خورشیدی باز می‌کنند. بال‌های این پروانه دارای نانوساختارهای مخروطی شکل هستند که با انتشار نور رنگین تابی (iridescence) آبی ایجاد می‌کنند. این ابداع راه را برای نوآوری‌های دیگر مثل کاربردهای معماری و سبک نهان کاری هموار می‌کند.
مهندسین با تقلید از همان ساختارهای در مقیاس نانو و با بهره گیری از همان اصولی که در پدیده بال‌های پروانه‌ها رخ می‌دهد توانستند به ظرافت تمام جهت و مسیر نور را کنترل کنند.
این که نانوساختارهای مخروطی به خوبی رنگ‌های مختلف نور را هدایت کردند آنها را متعجب کرده است. تصور آنها این است که کاربردهای بیشماری را می‌توان با تکنیک کنترل نور عرضه کرد. یکی از آنها کنترل انتشار نور و بازتاب و جذب رنگ‌ها مختلف آن است که در حال حاضر در نسل جدید صفحات خورشیدی پربازده مورد استفاده قرار می‌گیرد. این تکنیک روزی به حدی پیشرفت می‌کند که می‌توان با کمک آن اشیاء مات و غیر شفاف را شفاف کرد و برعکس٫ با این رویکرد می‌توان پنجره‌هایی را طراحی کرد که نسبت به رنگ‌های معینی شفاف باشند و در مقابل رنگ‌های دیگری خاصیت شیشه‌های مات را به خود بگیرند.
مزیت دیگر نانوساختارهای مخروطی این است که خودشان رشد می‌کنند و روی هم سوار می‌شوند و نیازی به کنترل دقیق توسط لیزرهای ظریف و الکترون‌ها ندارند. به علاوه، فناوری پرهزینه ای مورد نیاز نیست، بنابراین می‌توان در مقیاس وسیع آنها را تولید کرد.
گونه دیگری از پروانه که به آن «پروانه رُز» می‌گویند و بیشتر در هند زندگی می‌کند مدل الهام بخش دیگری برای ارتقای سلول‌های خورشیدی نازک است. بال‌های این پروانه در هوای سرد خودشان را گرم می‌کنند. این ویژگی منحصر به فرد به دلیل وجود حفره‌های کوچک در بال‌ها است که سبب می‌شود سبک تر باشند و نور خورشید را سریع تر جذب کنند. این ویژگی مهندسین «مؤسسه فناوری کالیفرنیا» را بر آن داشت تا با طراحی مدل‌های رایانه ای صفحات خورشیدی با عملکردی مشابه عملکرد بال‌های پروانه رُز بسازند.
بدین ترتیب آنها صفحات خورشیدی نازکی ساختند که دو برابر بیشتر از دیگر سلول‌های خورشیدی نازک نور را به خود جذب می‌کرد. مهندسین این پروژه شاهد افزایش ۹۰ درصدی جذب نور با زاویه معمولی و ۲۰۰ درصدی با زاویه‌های پرتابش بودند. این یک گام بسیار بزرگ در فناوری‌های خورشیدی است، چرا که مشکل بازده پایین را که یکی از بزرگ ترین اشکالات صفحه‌های خورشیدی است از میان بر می‌دارد.