Als het aan Patrizio Manganiello ligt, draait de stad van de toekomst niet alleen op zonne-energie, maar gebruiken we die infrastructuur ook voor razendsnelle communicatie. Gebouwen regelen onderling de stroomvoorziening en zelfrijdende auto’s stemmen hun rijgedrag af met lichtsignalen. Het nieuwe onderzoeksveld Photovoltatronics brengt die toekomst dichterbij.
Elektrotechnicus Patrizio Manganiello zat rond de start van dit millennium in de collegebanken in Italië toen de onomstotelijke realiteit van verontrustende krantenkoppen plotsklaps tot hem doordrong. Bij een vak over hernieuwbare energiebronnen liet zijn hoogleraar twee grafieken zien. De een toonde het verloop in de wereldwijde energieconsumptie, oplopend als de flank van een berg. De ander toonde een rode lijn, grillig, maar ontegenzeggelijk stijgend: die van de oppervlaktetemperatuur op aarde. ‘De hoogleraar gaf een feitelijke onderbouwing van de correlatie tussen die twee grafieken om duidelijk te maken hoe belangrijk het is dat we andere manieren vinden om energie te produceren.’ Het was deze eyeopener die Manganiello ertoe dreef zijn tijd te besteden aan het zoeken naar slimme manieren om duurzame energie te produceren.
De toekomst die we voor ons zien bij Photovoltatronics draait op zonne-energie.
Een kleine twintig jaar later stort Manganiello zich op het nieuwe onderzoeksveld Photovoltatronics, waarin zonnecellen en elektronica versmelten. In een notendop onderzoekt hij hoe zonnecellen niet langer alleen licht kunnen omzetten in energie, maar ook informatie kunnen verzenden en ontvangen. Informatie over het functioneren van het netwerk van zonnecellen, maar ook over heel andere zaken, zoals naderend onheil. Voor Manganiello is het een noodzakelijke zoektocht naar een duurzame, maar vooral ook wonderlijke toekomst. Een toekomst waarin zonnepanelen informatie uitwisselen om optimaal te draaien en zelfrijdende auto’s via zonnecellen communiceren over routes en veiligheid. ‘Je kunt het zo gek niet verzinnen, of het is mogelijk.’
Zintuigen en een stem
Primair kan het meten en doorgeven van informatie het rendement van zonnepanelen verhogen. Een zonnepaneel dat is uitgerust om de lichtintensiteit en temperatuurverdeling te meten, kan bijvoorbeeld een overtrekkend wolkenfront waarnemen. Vervolgens kan het paneel overstappen van serie- naar parallelschakeling, zodat een lagere stroom in beschaduwde zonnecellen geen beperking vormt voor de stroomproductie van cellen in de zon. Wanneer de sensoren registreren dat het wolkenfront optrekt, kan het paneel een seintje sturen naar een centraal schakelpunt: ‘Ik ga zo pieken, bereid het energienetwerk voor.’ Dat voorkomt overbelasting en instabiliteit van het netwerk.
Maar Manganiello loopt ook over van ideeën voor creatievere toepassingen van de integratie van energieopwekking en informatieoverdracht. Vooral als zonnecellen de komende jaren meer en meer geïntegreerd raken in de stedelijke omgeving: in de ramen en gevels van gebouwen, maar ook binnen, om de energie uit kunstlicht te vangen en te hergebruiken. Denk bijvoorbeeld aan een tafelblad bedekt met zonnecellen dat het licht van een bureaulamp omzet in energie om een telefoon – draadloos – mee op te laden.
De elektrotechnicus houdt zijn gestrekte handen voor zijn borst om twee gebouwen uit te beelden die tegenover elkaar staan in die beoogde stad van de toekomst. Als hun gevels niet alleen energie opwekken, maar via multifunctionele zonnepanelen ook informatie uitwisselen, kunnen de gebouwen met elkaar communiceren. Het ene gebouw kan bijvoorbeeld aangeven dat bij hem te veel wasmachines aanstaan en stroom vragen van zijn buurgebouw. Of ze kunnen via lichtsignalen een internetverbinding delen. Een uitkomst nu er schaarste ontstaat op het radiogolvenspectrum waarvan wifi gebruikmaakt. Uiteindelijk kunnen alle gebouwen in een stad met elkaar communiceren en elkaar bijvoorbeeld waarschuwen in geval van brand, storm of overstroming. Manganiello: ‘En via de ledlampen in bijvoorbeeld een kantoorgebouw gaat er vervolgens een signaaltje naar een sensor op je telefoon, die je waarschuwt om het gebouw te verlaten.’
Patrizio onderzoekt hoe zonnecellen niet langer alleen licht kunnen omzetten in energie, maar ook informatie kunnen verzenden en ontvangen.
Zelfrijdende auto’s
Manganiello vertelt dat hij rondloopt met duizenden ideeën voor experimenten om deze toekomstscenario’s dichterbij te brengen. ‘Helaas kunnen we op ieder moment maar een klein deel daarvan uitvoeren. Dat vind ik het lastigste aan mijn werk.’ Hij schat dat er nog zo’n 10 tot 15 jaar overheen gaan voordat nieuwe gebouwen met elkaar communiceren via de zonnecellen op hun gevels. Maar de eerste toepassingen in die richting zullen in het komend decennium verschijnen.
Manganiello is ongedurig. ‘Energie is een steeds grotere rol gaan spelen in ons leven. De grootste angst die we tegenwoordig hebben is om zonder batterij te zitten.’ De grafieken die twintig jaar geleden zo’n indruk maakten op hem als student, zijn alleen maar verder omhoog geschoten. ‘Ik wil geloven dat we het kunnen oplossen. Maar als ik zie hoe maatschappijen, overheden en de industrie reageren op deze problematiek, zakt de moed me soms in de schoenen.’ Gevraagd naar een voorbeeld van zo’n ontmoedigende reactie, slaakt hij een diepe zucht. ‘Het probleem is vooral het schrijnende gebrek aan respons, aan prioriteit voor verduurzaming.’
Uiteindelijk kunnen alle gebouwen in een stad met elkaar communiceren en elkaar bijvoorbeeld waarschuwen in geval van brand, storm of overstroming.
Ondanks de zwaarte van de problematiek blijven in gesprek met Manganiello optimisme en verwondering overheersen. Tot slot deelt hij dus graag zijn favoriete scenario uit de duurzame toekomst die Photovoltatronics ambieert. Hij beschrijft twee auto’s, bedekt met zonnecellen waar ze een groot deel van hun energie uit halen. Voor de voorste auto doemt plots iets op, zeg een hert. Nog voordat de rem wordt ingeschakeld, zendt hij via zijn achterlichten razendsnelle signalen die de zonnecellen op de achterliggende auto opvangen: ‘Pas op, ik ga remmen.’ Tegelijkertijd zendt de stedelijke verkeerscentrale via de straatverlichting signalen naar zonnecellen op de daken van voorbijrijdende auto’s om het verkeer in goede banen te leiden en opstoppingen en luchtvervuilings-hotspots te voorkomen.
‘Ik vind dit het mooiste voorbeeld omdat veiligheid de belangrijkste bottleneck is bij het ontwikkelen van een zelfrijdende auto, terwijl die auto het leven wel makkelijker en duurzamer kan maken. ‘Ik denk dat Photovoltatronics de zelfrijdende auto een flink duwtje in de rug kan geven, het is een voorrecht om daaraan bij te dragen.’
Tekst: Marieke Buijs | Fotografie: Frank Auperlé
