Со времен эксперимента Бенджамин Франклин с воздушным змеем человечество мечтает «поймать молнию в бутылку». Сначала это была красивая метафора. Но сегодня она снова становится буквальной — правда, вместо молнии ученые предлагают «запечатать» солнечную энергию.
Исследователи из University of California, Santa Barbara (UCSB) разработали систему, которая позволяет хранить энергию солнца не в батареях, а прямо в химических связях молекул. Речь идет о новой версии технологии Molecular Solar Thermal (MOST) — молекулярного солнечно-теплового накопления.
И если коротко: это жидкость, которую можно «зарядить» на солнце, сохранить месяцами, а затем по необходимости заставить выделить тепло. Почти как термос, только с химией.
Что такое MOST и как это работает?
Главная проблема солнечной энергетики известна: солнце светит не всегда. Днем панели вырабатывают энергию, а ночью — нет. Сегодня избыток энергии обычно запасают в аккумуляторах. Однако химические батареи громоздки, дороги и неизбежно теряют часть энергии при преобразованиях из электричества в химию и обратно.
MOST предлагает другой путь. Вместо хранения электричества система сохраняет энергию сразу в виде тепла — но «упакованного» в молекулы.
Команда под руководством доцента Грейс Хан создала специальный раствор с модифицированными молекулами пиримидинона. Под воздействием солнечного света каждая молекула меняет свою структуру: из стабильной формы она переходит в напряжённую, более энергоемкую конфигурацию — так называемую Dewar-форму.
Проще говоря, представьте крошечную пружину. Солнце «закручивает» ее, заставляя молекулу принять напряженную конфигурацию. В таком состоянии она может находиться месяцами или даже годами, практически не теряя накопленной энергии. Стоит добавить катализатор — например, нагрев или кислоту — и молекула «раскручивается» обратно, выделяя тепло.
Этот цикл полностью обратим. Молекулы можно «закручивать» и «раскручивать» снова и снова без разрушения структуры — а значит, материал пригоден для многократного использования.
От ДНК до лаборатории
Интересно, что вдохновение пришло из природы. Синтезированная молекула основана на структуре компонента ДНК, способного изменять конфигурацию под действием ультрафиолета.
Подобные системы MOST существовали и ранее — например, на основе азобензена или пар дигидроазулен/винилгептафульвен. Однако большинство из них пока остаются на уровне лабораторных исследований и пилотных проектов.
Система Dewar-пиримидинона стала первой, показавшей практическую применимость. В опубликованной в журнале Science работе исследователи продемонстрировали, что выделяемого тепла достаточно, чтобы вскипятить около 0,5 мл воды. Казалось бы, немного — но кипячение воды требует значительных энергетических затрат, особенно при комнатных условиях. Сам факт такого результата говорит о высокой плотности энергии.
Почему это прорыв?
Во-первых, система хранит энергию напрямую, без промежуточного этапа преобразования в электричество. Это уменьшает потери.
Во-вторых, стабильность. Dewar-изомер обладает расчетным периодом полураспада до 481 дня при комнатной температуре. Иными словами, «заряженную» жидкость можно хранить более года.
В-третьих, масштабируемость. Поскольку система представляет собой раствор, увеличить запас энергии можно просто увеличив объем жидкости. Ее легко перекачивать по трубам, хранить в резервуарах и интегрировать в существующую инфраструктуру. Именно поэтому технологию и называют «солнцем в бутылке».
Наконец, энергетическая плотность впечатляет: около 1,6 мегаджоуля на килограмм — почти вдвое больше, чем у стандартных литий-ионных аккумуляторов (примерно 0,9 МДж/кг). Для технологии, которая хранит энергию в виде тепла, это серьезный аргумент.
Где это можно применять?
Представим типичный сценарий. На крыше здания установлен солнечный коллектор, по которому циркулирует жидкость MOST. Днем молекулы «заряжаются» солнечным светом. Затем раствор поступает в теплоизолированный бак.
Когда требуется тепло — для горячей воды, отопления или приготовления пищи — жидкость проходит через реактор, где запускается обратная реакция. Высвобождается тепло, а раствор возвращается в исходное состояние, готовый к новой «зарядке» на следующий день.
Еще более интересный вариант — сезонное хранение энергии. Летом система накапливает солнечное тепло, которое затем используется зимой для обогрева зданий. Кроме того, технологию можно объединить с термоэлектрическими генераторами или тепловыми циклами (турбинами), чтобы преобразовывать высвобождаемое тепло в электричество.
Будущее «солнечной химии»
Сегодня рынок накопителей энергии стремительно развивается, но универсального решения пока нет. Литий-ионные батареи хороши, но дороги, ограничены по сроку службы и требуют редких материалов. В этом контексте молекулярные солнечно-тепловые системы выглядят как неожиданная альтернатива.
Можно ли действительно «разлить солнце по бутылкам»? Судя по результатам команды UCSB — да, по крайней мере в лабораторных условиях. Следующий шаг — масштабирование и интеграция в реальную энергетику.
Если технология подтвердит свою эффективность вне лаборатории, нас может ждать новая эра хранения энергии — где вместо тяжелых батарей будут работать «заряженные» молекулы, спокойно ожидающие своего часа в резервуарах.
