Χημικοί στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στη Σάντα Μπάρμπαρα, ανέπτυξαν ένα μόριο που συλλαμβάνει το ηλιακό φως, το αποθηκεύει σε χημικούς δεσμούς για χρόνια και το απελευθερώνει ως θερμότητα αρκετά ισχυρή ώστε να βράσει νερό.
Μια νέα προσέγγιση
Το υλικό, μια τροποποιημένη οργανική ένωση που ονομάζεται πυριμιδόνη, αποτελεί μέρος ενός αναπτυσσόμενου τομέα γνωστού ως Μοριακή Ηλιακή Θερμική Αποθήκευση Ενέργειας, ή MOST. Αντί να μετατρέπει το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια όπως τα παραδοσιακά ηλιακά πάνελ, το μόριο αποθηκεύει ηλιακή ενέργεια απευθείας μέσα στη δομή του και την απελευθερώνει όταν ενεργοποιείται.
Η Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Γκρέις Χαν και η ομάδα της σχεδίασαν το μόριο ώστε να λειτουργεί σαν μηχανικό ελατήριο. Όταν εκτίθεται στο ηλιακό φως, στρίβει σε μια διαμόρφωση υψηλής ενέργειας. Παραμένει κλειδωμένο σε αυτήν την τεταμένη κατάσταση μέχρι να ενεργοποιηθεί από θερμότητα ή καταλύτη, οπότε επανέρχεται και απελευθερώνει την αποθηκευμένη ενέργεια ως θερμότητα.
Η προσέγγιση αυτή αποφεύγει τις ογκώδεις μπαταρίες ή την πολύπλοκη υποδομή δικτύου. Αποθηκεύει την ηλιακή ενέργεια σε μια συμπαγή μοριακή μορφή που μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί επανειλημμένα.
Το ηλιακό φως κλειδωμένο σε δεσμούς
«Η ιδέα είναι επαναχρησιμοποιήσιμη και ανακυκλώσιμη», δήλωσε ο Han Nguyen, διδακτορικός φοιτητής στην ομάδα Han και κύριος συγγραφέας της εργασίας.
«Σκεφτείτε τα φωτοχρωμικά γυαλιά ηλίου. Όταν βρίσκεστε μέσα, είναι απλώς διαφανείς φακοί. Βγαίνετε έξω στον ήλιο και σκουραίνουν μόνοι τους. Επιστρέφοντας μέσα, οι φακοί γίνονται ξανά διαφανείς», συνέχισε ο Nguyen.
«Αυτό το είδος αναστρέψιμης αλλαγής είναι αυτό που μας ενδιαφέρει. Μόνο που αντί να αλλάζουμε χρώμα, θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε την ίδια ιδέα για να αποθηκεύσουμε ενέργεια, να την απελευθερώσουμε όταν τη χρειαζόμαστε και στη συνέχεια να επαναχρησιμοποιήσουμε το υλικό ξανά και ξανά».
Για να κατασκευάσουν το μόριο, οι ερευνητές αναζήτησαν έμπνευση στο DNA. Η δομή της πυριμιδόνης μοιάζει με ένα συστατικό του DNA που μπορεί να υποστεί αναστρέψιμες αλλαγές υπό υπεριώδη ακτινοβολία. Σχεδιάζοντας μια συνθετική έκδοση, η ομάδα δημιούργησε ένα μόριο ικανό να αποθηκεύει ενέργεια ενώ παραμένει σταθερό για χρόνια.
Συνεργάστηκαν με τον Ken Houk στο UCLA για να χρησιμοποιήσουν υπολογιστική μοντελοποίηση για να κατανοήσουν πώς το μόριο διατηρεί τη σταθερότητα ενώ διατηρεί αποθηκευμένη ενέργεια. Ο σχεδιασμός ήταν σκόπιμα συμπαγής.
«Δώσαμε προτεραιότητα σε ένα ελαφρύ, συμπαγές σχεδιασμό μορίων», είπε ο Nguyen.
«Για αυτό το έργο, κόψαμε όλα όσα δεν χρειαζόμασταν. Οτιδήποτε ήταν περιττό, το αφαιρέσαμε για να κάνουμε το μόριο όσο το δυνατόν πιο συμπαγές».
Από το μόριο στη θερμότητα
Το μόριο παρέχει ενεργειακή πυκνότητα άνω των 1,6 megajoules ανά κιλό. Αυτό είναι περίπου διπλάσιο από την ενεργειακή πυκνότητα μιας τυπικής μπαταρίας ιόντων λιθίου, η οποία είναι κατά μέσο όρο περίπου 0,9 MJ/kg. Υπερβαίνει επίσης τις προηγούμενες γενιές οπτικών συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας.
Σε εργαστηριακές δοκιμές, η απελευθερούμενη θερμότητα ήταν αρκετά ισχυρή για να βράσει νερό σε συνθήκες περιβάλλοντος. Αυτό το ορόσημο σηματοδοτεί μια μετατόπιση από τη θεωρητική απόδοση στην πρακτική εφαρμογή.
«Το βράσιμο νερού είναι μια ενεργοβόρα διαδικασία», είπε ο Nguyen. «Το γεγονός ότι μπορούμε να βράσουμε νερό σε συνθήκες περιβάλλοντος είναι ένα μεγάλο επίτευγμα».
Οι πιθανές χρήσεις κυμαίνονται από συστήματα κατασκήνωσης εκτός δικτύου έως θέρμανση νερού σε οικιακές εγκαταστάσεις. Επειδή το υλικό διαλύεται στο νερό, θα μπορούσε να κυκλοφορεί μέσω ηλιακών συλλεκτών στέγης κατά τη διάρκεια της ημέρας, να αποθηκεύει ενέργεια σε δεξαμενές και να απελευθερώνει θερμότητα τη νύχτα.
«Με τα ηλιακά πάνελ, χρειάζεστε ένα πρόσθετο σύστημα μπαταρίας για την αποθήκευση της ενέργειας», δήλωσε ο συν-συγγραφέας Benjamin Baker. «Με τη μοριακή αποθήκευση ηλιακής θερμικής ενέργειας, το ίδιο το υλικό είναι σε θέση να αποθηκεύσει αυτήν την ενέργεια από το ηλιακό φως».
www.worldenergynews.gr
