Uit onderzoek blijkt dat microbiële biofilms zonnepanelen tot 30% van de productie in droge gebieden kunnen beroven

Onderzoekers leidden een internationale gezamenlijke inspanning om de impact van microben te identificeren en te kwantificeren als een ondergewaardeerde potentiële bedreiging voor de productie van zonne-energie in de droogste (niet-polaire) woestijn ter wereld. Recente resultaten laten een algehele afname zien van wel 30,66% in de kortsluitstroom onder invloed van de biofilm-vormende micro-organismen die worden aangetroffen op de oppervlakken van fotovoltaïsche panelen in de Atacama-woestijn. Dit heeft tot gevolg dat zonne-energie-installaties hun verwachte energieopbrengst met bijna een-derde kunnen verlagen, omdat ze hun huidige opbrengst op kortsluitpunten- hebben verlaagd.

Evaluatie van microbiële bijdragen aan de "vervuiling" van zonnepanelen en hun daaropvolgende effect op de energieopbrengst door verminderde operationele efficiëntie (zoals besproken in "Mbiotic Contribution to Soiling and Its Impact On Photovoltaic Module Soiling Within Extreme Environments in Arid Regions of the Atacama Desert") is de eerste studie in zijn soort om de impact van microbiële gemeenschappen op de hechting en persistentie van stofcoatings op zonnepanelen in extreme omgevingen te beoordelen.

 

Het conventionele begrip van de vervuiling van zonnepanelen is lange tijd gericht geweest op de ophoping van anorganische minerale stofdeeltjes. Deze studie verschuift echter het paradigma door aan te tonen dat microbieel leven - vooral bacteriën uit de geslachtenArtrobacter, Dietzia, EnKocuria- koloniseren actief paneeloppervlakken en produceren robuuste biofilms die de eigenschappen van stofafzettingen dramatisch veranderen.

Deze micro-organismen produceren extracellulaire polymere stoffen, of EPS -, een kleverige matrix die bestaat uit ongeveer 65 procent polysachariden, 25 procent peptiden en 10 procent lipiden. Gedurende een groeiperiode van 72- uur zagen onderzoekers dat de dikte van EPS toenam van 0,2 naar 0,8 micrometer. Onder veld{10}}emissie scanning elektronenmicroscopie zien deze biofilms eruit als dichte, driedimensionale netwerken die zowel microbiële cellen als minerale deeltjes inkapselen, waardoor stoflagen effectief op paneeloppervlakken worden gecementeerd en ze veel beter bestand zijn tegen verwijdering.

In een opvallende evolutionaire wending identificeerde het onderzoek ook carotenoïdepigmenten - specifiek op luteïne--achtige verbindingen en verwante xantofylen - geproduceerd doorDietziastammen. Deze pigmenten helpen de bacteriën de extreme ultraviolette straling van de Atacama-woestijn te overleven, die een dagelijkse intensiteit bereikt van ongeveer 3,5 kilowatt per vierkante meter.

Cruciaal is dat deze fotobeschermende verbindingen licht absorberen over spectrale bereiken die overlappen met het conversievenster van fotovoltaïsche modules van monokristallijn silicium. Deze overlap suggereert een bijkomend mechanisme van optische interferentie, waarbij juist de pigmenten die bacteriën helpen de woestijnzon te verdragen, ook concurreren met zonnecellen om binnenkomende fotonen.

Om de prestatie-impact van microbiële biofilms te kwantificeren, voerden de onderzoekers versnelde kolonisatietests uit op fotovoltaïsche glasmonsters onder gecontroleerde laboratoriumomstandigheden. De resultaten waren opvallend: na slechts zeven dagen biofilmontwikkeling vertoonden monsters van de Universiteit van Antofagasta kortsluitstroomverliezen variërend van 15,20 procent tot 30,66 procent. Monsters van het Atacama Desert Solar Platform vertoonden verliezen tussen 11,01 procent en 20,12 procent.

De corresponderende auteur van het onderzoek, Aitor Marzo van de Universiteit van Granada, was echter voorzichtig met het contextualiseren van deze cijfers. "Deze tests zijn ontworpen als versnelde experimenten om de beginfasen van de hechting en consolidatie van biofilms binnen een beperkt laboratoriumtijdsbestek te reproduceren", legde hij uit. "De maximale waargenomen verliezen vertegenwoordigen een bovengrens van de biologische impact en mogen niet direct worden geïnterpreteerd als typische veldwaarden." Onder reële- omstandigheden, zo merkte Marzo op, vindt kolonisatie geleidelijker plaats en wordt deze beïnvloed door omgevingsfactoren zoals bestraling, vochtigheid, stofafzetting en beschikbaarheid van voedingsstoffen.

Wellicht nog zorgwekkender dan de onmiddellijke prestatieverliezen is de ontdekking dat conventionele reinigingsmethoden mogelijk niet effectief zijn tegen volwassen biofilms. Uit het onderzoek bleek dat een verhoogde EPS-afzetting de cohesie binnen de biofilmstructuur verbetert, waardoor de effectiviteit van standaardreinigingstechnieken zoals droog borstelen en spoelen met water wordt verminderd.

"Micro-organismen zijn geen passieve component van vervuiling, maar actieve middelen die bijdragen aan de consolidatie van afzettingen, de optische transmissie verminderen en de effectiviteit van conventionele reinigingsmethoden verminderen", schreven de auteurs.

De bevindingen komen op een cruciaal moment voor de wereldwijde zonne-energiesector. Volgens het Internationaal Energieagentschap zal de opwekking van hernieuwbare elektriciteit tot 2030 naar verwachting met grofweg 1.050 terawatt-uur per jaar toenemen, waarbij fotovoltaïsche zonne-energie elk jaar ruim 600 terawatt-uur van die groei voor zijn rekening neemt. Alleen al in 2025 bereikte de groei van de mondiale elektriciteitsopwekking uit fotovoltaïsche zonne-energie een record van 620 terawatt-uur, de grootste stijging jaar-op-jaar ooit gemeten.

Een groot deel van deze uitbreiding vindt plaats in regio's met een hoge{0}}instraling, waaronder de woestijnen van de wereld. De Atacama-woestijn, waar dit onderzoek werd uitgevoerd, ontvangt jaarlijks ongeveer 6.800 uur gelijkwaardige zonnestraling, waardoor het een van de meest veelbelovende locaties voor de ontwikkeling van zonne-energie waar dan ook op aarde is -, maar ook een van de meest uitdagende locaties op het gebied van paneelonderhoud.

Het onderzoeksteam benadrukte dat hun bevindingen de dringende noodzaak onderstrepen om biologische factoren op te nemen in vervuilingsvoorspellingsmodellen en strategieën voor het beperken van fotovoltaïsche systemen voor droge gebieden. "Ons werk laat zien dat microbiële gemeenschappen geïsoleerd uit fotovoltaïsche modules in de Atacama-woestijn een hoge tolerantie vertonen voor uitdroging en extreme bestraling," vertelde Marzo.pv tijdschrift.

Tegelijkertijd is het gepigmenteerdDietziaDe in het onderzoek geïdentificeerde stammen kunnen onverwachte wegen openen voor technologische innovatie. "Deze pigmenten bieden potentiële biotechnologische toepassingen in coatings en zelfreinigende technologieën," merkten de auteurs op, wat suggereert dat juist de organismen die het probleem veroorzaken ook de ontwikkeling van de oplossing zouden kunnen beïnvloeden.

Er zijn al inspanningen vanuit de industrie gaande om microbiële verontreiniging aan te pakken met behulp van geavanceerde materialen. Het Australische nanotechnologiebedrijf Nanoveu heeft bijvoorbeeld een hydrofiele, zelfreinigende nano-coating ontwikkeld die is ontworpen om de vorming van biofilms en algengroei op zonnepanelen te remmen, terwijl andere onderzoeksgroepen superhydrofobe coatings onderzoeken die zowel zelfreinigende eigenschappen als optische transparantie kunnen bieden.

Het onderzoek werd uitgevoerd door onderzoekers van de Universiteit van Granada in Spanje en de Universiteit van Atacama in Chili, waarvan de bevindingen toegankelijk zijn in het julinummer van 2025.Geavanceerde duurzame systemen.