Вчені наблизилися до створення рідини, яка здатна накопичувати сонячне тепло на місяці вперед і віддавати його за потребою. Технологія потенційно змінює саму логіку опалення. Енергію можна зібрати влітку, зберегти без втрат та використати взимку.
.jpg)
Молекула захоплює сонячне світло, зберігає його в хімічних зв'язках протягом багатьох років і вивільняє його у вигляді тепла, достатнього для кип'ятіння води за потреби.
%20(4).jpg)
Хіміки з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі розробили сонячну молекулу, яка накопичує сонячне світло та вивільняє тепло за потреби.
Дослідники з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі під керівництвом доцента Грейс Хан синтезували органічну сполуку на основі піримідону, здатну накопичувати сонячну енергію в хімічних зв'язках і зберігати її протягом кількох років.
Розробка відноситься до напрямку MOST – молекулярне акумулювання сонячної теплової енергії. Принцип роботи молекули ґрунтується на структурному перетворенні: під впливом сонячного випромінювання з'єднання переходить у напружену високоенергетичну конфігурацію. При активації каталізатором чи нагріванням молекула повертається у вихідний стан, вивільняючи накопичену енергію як тепла.
Щільність енергії нового матеріалу становить понад 1,6 мегаджуля на кілограм. Для порівняння: аналогічний показник літій-іонних акумуляторів становить 0,9 МДж/кг. При лабораторних випробуваннях тепла, що виділяється, виявилося достатньо для кип'ятіння води при кімнатній температурі.
Дослідники розробили систему MOST (Molecular Solar Thermal) на основі похідного 2-піримідинону – хімічного «родича» тиміну. Під дією ультрафіолету молекула перебудовується в стабільніший ізомер і «закриває» в собі енергію світла у вигляді хімічних зв'язків.
Структура молекули створена за зразком компонента ДНК, здатного до оборотних змін ультрафіолетовим випромінюванням. Обчислювальне моделювання для аналізу стабільності з'єднання проводилося спільно з професором Кеном Хоуком із Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі.
Матеріал розчиняється у воді, що дозволяє використовувати його в циркуляційних системах сонячних колекторів для накопичення енергії вдень та її вивільнення у нічний час. Технологія виключає необхідність окремих акумуляторних системах, оскільки функцію зберігання енергії виконує сам матеріал.
Щільність зберігання такого рішення сягає 1,65 МДж/кг. Це майже вдвічі вище, ніж у типових літій-іонних акумуляторів, і помітно краще за попередні MOST-матеріали. Речовина залишається рідкою за кімнатної температури і не вимагає використання розчинника.
Є у технології та обмеження. Наприклад, матеріал поглинає лише близько 5% сонячного спектру та у вузькому діапазоні – 300–310 нм. У цьому квантовий вихід реакції залишається низьким. Але розрахунковий період напіврозпаду запасеної енергії досягає 481 дня, що робить систему перспективною для довгострокового сезонного зберігання.
%20(2).jpg)
Цей матеріал, модифікована органічна сполука під назвою піримідон, є частиною зростаючої галузі, відомої як молекулярне накопичення сонячної теплової енергії, або MOST.
Замість того, щоб перетворювати сонячне світло на електрику, як традиційні сонячні панелі, молекула зберігає сонячну енергію безпосередньо всередині своєї структури та вивільняє її при спрацьовуванні.
Під впливом сонячного світла він скручується у високоенергетичну конфігурацію. Він залишається заблокованим у цьому напруженому стані, доки не буде активований теплом або каталізатором, після чого він відновлюється та вивільняє накопичену енергію у вигляді тепла.
Такий підхід дозволяє уникнути громіздких батарей або складної мережевої інфраструктури. Він зберігає сонячну енергію в компактній молекулярній формі, яку можна використовувати повторно.
Сонячне світло замкнене в путах
«Концепція є багаторазовою та придатною для переробки», – сказав Хан Нгуєн, докторант Han Group та провідний автор статті.
«Уявіть собі фотохромні сонцезахисні окуляри. Коли ви в приміщенні, це просто прозорі лінзи. Ви виходите на сонце, і вони самі темніють. Повертаєтеся всередину, і лінзи знову стають прозорими», – продовжив Нгуєн.
«Нас цікавить саме такий тип оборотних змін. Тільки замість зміни кольору ми хочемо використовувати ту саму ідею для зберігання енергії, її вивільнення, коли вона нам потрібна, а потім повторного використання матеріалу знову і знову».
Для створення молекули дослідники звернулися за натхненням до ДНК. Структура піримідону нагадує компонент ДНК, який може зазнавати оборотних змін під впливом ультрафіолетового світла.
Розробивши синтетичну версію, команда створила молекулу, здатну накопичувати енергію, залишаючись стабільною протягом багатьох років.
Вони співпрацювали з Кеном Хоуком з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі, щоб за допомогою комп'ютерного моделювання зрозуміти, як молекула підтримує стабільність, зберігаючи при цьому накопичену енергію. Конструкція була навмисно компактною.
«Ми надали пріоритет легкій, компактній конструкції молекули», – сказав Нгуєн.
«Для цього проєкту ми вирізали все, що нам не було потрібно. Все, що було зайвим, ми видалили, щоб зробити молекулу якомога компактнішою».
Від молекули до тепла
Молекула забезпечує щільність енергії понад 1,6 мегаджоулів на кілограм. Це приблизно вдвічі перевищує щільність енергії типового літій-іонного акумулятора, яка в середньому становить близько 0,9 МДж/кг.
Він також перевершує попередні покоління систем оптичного накопичення енергії .
У лабораторних випробуваннях виділене тепло було достатньо сильним, щоб закип'ятити воду за кімнатних умов. Ця віха сигналізує про перехід від теоретичних показників до практичного застосування.
«Кип’ятіння води – це енергоємний процес», – сказав Нгуєн. «Те, що ми можемо кип’ятити воду за кімнатних умов, – це велике досягнення».
Потенційне використання варіюється від автономних систем кемпінгу до нагрівання води в житлових приміщеннях. Оскільки матеріал розчиняється у воді, він може циркулювати через сонячні колектори на даху протягом дня, накопичувати енергію в резервуарах і виділяти тепло вночі.
«Із сонячними панелями потрібна додаткова система акумуляторів для зберігання енергії», — сказав співавтор Бенджамін Бейкер. «Завдяки молекулярному накопиченню сонячної теплової енергії сам матеріал здатний зберігати цю енергію із сонячного світла».
Висновки були опубліковані в журналі Science .
Джерело: Interesting Engineering