Wat heeft een zonnepaneel gemeen met het oog van een insect? Meer dan je denkt, volgens onderzoekers van Stanford University: zij ontwierpen perovskiet zonnecellen die de structuur van een insectenoog nabootsen en zo beter bestendig zijn tegen extreme weersomstandigheden. Dit type ontwerp wordt ook wel ‘biomimicry’ genoemd: innovatie door het nabootsen van de natuur. Wat kan de solarsector nog meer van de natuur leren?

De energietransitie spoort ons aan om constant te blijven innoveren, om ons energieverbruik en onze impact op het milieu omlaag te brengen. Maar wat als we, in plaats van zelf het wiel opnieuw uitvinden, zouden kunnen putten uit de 3,8 miljard jaar aan R&D van al het leven op onze planeet?

Dat is de propositie van biomimicry: het nabootsen van natuurlijke vormen, processen en ecosystemen om tot duurzame oplossingen te komen. Alle organismen hebben energie nodig, en zijn dus vaak al miljoenen of miljarden jaren strategieën aan het ontwikkelen om met zo min mogelijk energie hun voortbestaan te garanderen.

Saskia van den Muijsenberg, directeur van BiomimicryNL, gaf tijdens de Energy Talks van de Topsector Energie een voorbeeld van de efficiëntie die in de natuur te vinden is:

“Als je de nerven bekijkt van een blad, dan zie je dat die dezelfde structuur en vertakkingen heeft als de bomen zelf. Maar ook als onze longen, en als onze aderen. En als je zou uitzoomen tot hoog in de lucht en je bekijkt rivieren, dan zie je daar dezelfde vertakkingen, hetzelfde patroon. Dit is, wiskundig gezien, het meest efficiënte distributiesysteem voor vloeistoffen en nutriënten om van A naar B en vice versa te komen. Het maakt gebruik dus van de weg van de minste weerstand.”

Ook op het gebied van zonnestroom kunnen we van de natuur leren. Op de website AskNature hebben biomimicry-experts voorbeelden verzameld van slimme strategieën die in de natuur te vinden zijn en de innovaties die daar uit voortgekomen zijn. Wat kunnen we bijvoorbeeld leren van de vleugels van een vlinder? Of de manier waarop planten energie uit de zon halen? Of de ogen van een insect?

Maximale lichtabsorptie met vlindervleugels
De kleur van een dier is meestal te wijten aan pigment. Dat houdt in dat de chemicaliën in hun huid, vacht of veren bepaalde golflengtes van het licht absorberen en andere golflengtes juist weerkaatsen.

Sommige vlindersoorten doen dit echter anders. De vleugels van een morphovlinder hebben van zichzelf geen pigment, maar buigen het licht dat hun vleugels raakt op een dusdanige manier dat een kleur zichtbaar wordt. Vanwege de structuur van hun cellen worden sommige golflengtes van het licht gereflecteerd en anderen niet, wat kleurencombinaties oplevert die ze gebruiken om zich te camoufleren, hun temperatuur te reguleren, of te communiceren.

Verschillende PV-bedrijven hebben een soortgelijk principe toegepast in hun producten. Lichtreflectie is voor zonnepanelen immers een probleem, aangezien licht dat gereflecteerd wordt niet wordt geabsorbeerd en dus geen stroom oplevert. Hoe groter het deel van het lichtspectrum dat een paneel kan benutten, hoe hoger de potentiële efficiëntie.

De Anhui Polytechnic University heeft de structuur op de huid van een vlinder nagebootst en toegepast op het oppervlak van een zonnepaneel. De onderzoekers vonden dat lichtreflectie zo kon worden gereduceerd van 35 naar 5 procent, en het cellvermogen met 66 procent kon worden verhoogd.

Zonne-energie zoals planten dat doen
Al het leven op aarde is afhankelijk van zonne-energie, maar planten zijn vaak de frontlinie als het aankomt op het omzetten van die energie in levensmiddelen. Met een proces dat fotosynthese heet zetten ze zonlicht, water en CO2 uit de lucht om in plantgroei en zuurstof. Zonder dit proces zou de atmosfeer geen zuurstof bevatten en zouden complexe levensvormen niet kunnen bestaan.

Met behulp van fotovoltaïsche cellen in zonnepanelen kunnen mensen ondertussen ook energie direct uit zonlicht halen. Maar om deze cellen te creëren moeten we silicium onder hoge temperaturen verfijnen en hebben we materialen nodig die niet altijd even vriendelijk voor het milieu zijn. Denk hierbij aan lood en cadmium, of giftige chemicaliën zoals hexafluorethaan.

Zogeheten ‘dye-sensitized solar cells’ (DSC’s), of Grätzel-cellen, maken gebruik van een techniek geïnspireerd door fotosynthese om zonnestroom op te wekken met minder schadelijke stoffen. DSC’s zijn een onderdeel van de ‘dunne-film’ categorie zonnepanelen en gebruiken een natuurlijke kleurstof om zonlicht om te zetten in elektriciteit. Hoewel de rendementen van DSC’s aanzienlijk lager liggen dan die van andere type cellen, kunnen ze met relatief weinig energie en minder schadelijke materialen geproduceerd worden.

PV door de ogen van een insect
Perovskiet zonnecellen maken een rappe opmars, zowel qua efficiëntie als in de markt. Onlangs haalde het Chinese bedrijf LONGi een efficiëntierecord van 33,9 procent voor perovskiet zonnecellen en de techniek wordt steeds populairder voor bepaalde toepassingen.

Perovskiet zonnecellen kampten echter nog vaak met een korte levensduur vanwege de snelheid waarmee het materiaal degradeerde als het in gebruik was in verschillende weersomstandigheden. Hierdoor kon de prestatie van de cellen sneller achteruit gaan dan bij andere type cellen.

Een van de mogelijke oplossingen hiervoor bekijkt het probleem door de ogen van een insect. Veel insecten hebben zogeheten ‘facetogen’, bestaande uit enorme hoeveelheden minuscule lenzen, die gezamenlijk het oog vormen. De lenzen zijn afzonderlijk erg fragiel, maar worden versterkt door een honingraatstructuur die elke lens omringd en vorm geeft. Dit zorgt ervoor dat als één lens beschadigt raakt, het niet de structuur van het geheel gelijk aantast. Zo zijn de ogen van het insect zowel gevoelig, als weerbaar.

Onderzoekers van Stanford University keken deze structuur af en pasten het toe in samengestelde zonnecellen (‘compound solar cells’). Dit houdt in dat het zonnepaneel bestaat uit een grote hoeveelheid microcellen, die een halve millimeter breed zijn en afzonderlijk versterkt worden door een honingraat patroon. Dit beschermt de cellen tegen weerselementen en verbetert de levensduur.

‘Wij zijn de spookrijders’
Van den Muijsenberg legt uit dat biomimicry in de kern gaat om het opereren onder dezelfde principes als de rest van het leven op aarde:

“Dit zijn de principes die nagenoeg alle organismen op aarde hanteren. Al 3,8 miljard jaar lang. Het idee is dat als we die kunnen integreren, we condities creëren die goed zijn voor het leven.”

Volgens Van den Muijsenberg kunnen die principes ons op weg helpen richting duurzaamheid. “Die levensprincipes hanteren wij als een soort toetsingsmechanisme om een sector, een product, of een beleid aan te toetsen”, legt ze uit. “Dus in hoeverre het er al aan voldoet, maar ook als ontwerptool voor nieuwe mogelijke oplossingen. Het is dus een iteratief proces.”

Als je de ideeën van biomimicry echt ter harte neemt, moet je volgens Van den Muijsenberg ook goed kijken naar onze eigen rol.

“Misschien is de kern wel dat wij een beetje de spookrijder in het geheel zijn”, vertelt ze. “Wij zijn volledig energieverslaafd. En we bouwen steeds maar grotere infrastructuur om de toekomstige vraag aan te kunnen. Maar ik denk dat als je van de natuur gaat leren, er ook talloze manieren zijn om te kijken: hoe heb je minder nodig?”

Als je meer over voorbeelden van innovaties geïnspireerd door de natuur wilt lezen, kun je op Warmte365 de versie van dit artikel lezen gericht op innovaties in de verwarmingssector.