Химики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре разработали солнечную молекулу, которая накапливает солнечный свет и выделяет тепло по мере необходимости.
Химики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре разработали молекулу, которая улавливает солнечный свет, сохраняет его в химических связях в течение многих лет и выделяет в виде тепла, достаточно сильного для кипячения воды.
Данный материал, модифицированное органическое соединение под названием пиримидон, является частью быстро развивающейся области, известной как молекулярное хранение солнечной тепловой энергии, или MOST.
Вместо преобразования солнечного света в электричество, как традиционные солнечные панели, эта молекула накапливает солнечную энергию непосредственно в своей структуре и высвобождает ее при срабатывании.
Доцент Грейс Хан и ее команда разработали молекулу, которая ведет себя как механическая пружина.
Под воздействием солнечного света он деформируется, принимая высокоэнергетическую конфигурацию. Он остается в этом напряженном состоянии до тех пор, пока не будет активирован теплом или катализатором, после чего возвращается в исходное положение и высвобождает накопленную энергию в виде тепла.
Этот подход позволяет избежать громоздких батарей или сложной сетевой инфраструктуры. Он хранит солнечную энергию в компактной молекулярной форме, которую можно использовать многократно.
Солнечный свет, запертый в оковах
«Эта концепция предполагает многоразовое использование и переработку», — сказал Хан Нгуен, аспирант в группе Хана и ведущий автор статьи.
«Представьте себе фотохромные солнцезащитные очки. В помещении линзы прозрачные. Вы выходите на солнце, и они сами темнеют. Вернитесь в помещение, и линзы снова станут прозрачными», — продолжил Нгуен.
«Нас интересуют именно такие обратимые изменения. Только вместо изменения цвета мы хотим использовать ту же идею для хранения энергии, высвобождения её при необходимости и многократного повторного использования материала».
Для создания этой молекулы исследователи обратились к ДНК за вдохновением. Пиримидоновая структура напоминает компонент ДНК, который может претерпевать обратимые изменения под воздействием ультрафиолетового излучения.
С помощью синтетической разработки команда создала молекулу, способную накапливать энергию и оставаться стабильной в течение многих лет.
Они сотрудничали с Кеном Хоуком из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, используя компьютерное моделирование, чтобы понять, как молекула сохраняет стабильность, удерживая при этом запасенную энергию. Конструкция была намеренно компактной.
«Мы отдали приоритет созданию легкой и компактной молекулы», — сказал Нгуен.
«Для этого проекта мы удалили все ненужное. Все, что было лишним, мы убрали, чтобы сделать молекулу максимально компактной».
От молекулы к теплу
Эта молекула обеспечивает плотность энергии более 1,6 мегаджоулей на килограмм. Это примерно вдвое больше плотности энергии типичной литий-ионной батареи, которая в среднем составляет около 0,9 МДж/кг.
Она также превосходит предыдущие поколения оптических систем хранения энергии.
В лабораторных условиях выделяемое тепло оказалось достаточно сильным, чтобы вскипятить воду при комнатной температуре. Этот рубеж свидетельствует о переходе от теоретических показателей к практическому применению.
«Кипячение воды — энергоемкий процесс, — сказал Нгуен. — Тот факт, что мы можем кипятить воду в обычных условиях, — это большое достижение».
Возможные области применения варьируются от автономных систем для кемпинга до бытового водонагрева. Поскольку материал растворяется в воде, он может циркулировать через солнечные коллекторы на крышах в течение дня, накапливать энергию в резервуарах и выделять тепло ночью.
«Для солнечных панелей необходима дополнительная аккумуляторная система для хранения энергии», — сказал соавтор Бенджамин Бейкер. «В случае с молекулярным хранением солнечной тепловой энергии сам материал способен накапливать энергию солнечного света».
Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.
Sourse: interestingengineering.com
