Когда солнце скрывается за горизонтом, солнечные панели прекращают вырабатывать электричество. Это главное ограничение возобновляемой энергетики: как сохранить энергию света «про запас» — на дождливый день или холодную ночь?
Химики из University of California, Santa Barbara предложили неожиданное решение, не требующее громоздких аккумуляторов или подключения к электросетям. В работе, опубликованной в Science, команда под руководством доцента Грейс Хан описала новый материал, способный улавливать солнечный свет, «запаковывать» его в химические связи и по требованию высвобождать в виде тепла.
В основе разработки — модифицированная органическая молекула пиримидон. Это очередной шаг в развитии технологии MOST (molecular solar thermal energy storage) — молекулярного термического хранения солнечной энергии.
Молекулярное хранение солнечной энергии
Чтобы понять, как работает новая технология, представьте фотохромные очки. В помещении их линзы прозрачны, но стоит выйти на солнце — и они темнеют. Вернувшись в тень, стекла снова становятся светлыми. Это обратимое изменение структуры под действием света.
Примерно тот же принцип лежит в основе MOST-системы — только вместо смены цвета происходит накопление энергии.
Когда молекула пиримидона поглощает солнечный свет, она меняет свою конфигурацию: словно механическая пружина, «закручивается» в напряжённое состояние с высокой энергией. В таком виде она может оставаться годами, не теряя запасённую энергию.
А когда требуется тепло, достаточно небольшого внешнего воздействия — например, нагрева или катализатора — чтобы молекула вернулась в исходное состояние. При этом она высвобождает накопленную энергию в виде тепла.
Фактически перед нами «перезаряжаемая солнечная батарея» — только вместо электричества она хранит тепло.
Биология как источник вдохновения
Интересно, что идею исследователи подсмотрели у самой природы. Структура пиримидона напоминает один из компонентов ДНК, который под действием ультрафиолета способен к обратимым структурным изменениям.
Создав синтетический аналог этой структуры, ученые получили компактную и стабильную молекулу-накопитель. Для понимания её поведения использовали компьютерное моделирование совместно с исследователями из UCLA. Это позволило выяснить, почему молекула способна удерживать энергию столь долго и при этом оставаться стабильной.
Разработчики сознательно стремились к минимализму: из конструкции убрали всё лишнее, оставив только то, что необходимо для хранения энергии. Чем компактнее молекула — тем выше энергетическая плотность.
Рекордная плотность энергии
И здесь начинается самое интересное. Новый материал демонстрирует энергетическую плотность более 1,6 мегаджоуля на килограмм.
Для сравнения: стандартная литий-ионная батарея хранит около 0,9 МДж/кг. Иначе говоря, молекулярный накопитель почти вдвое эффективнее по удельной энергии — по крайней мере, в контексте хранения тепла.
Кроме того, он превосходит предыдущие поколения фотоактивных молекулярных переключателей, используемых в системах MOST.
От лаборатории к практике
Одна из главных проблем в этой области — перевести теоретическую энергоёмкость в практический результат. Команде удалось продемонстрировать нечто весьма наглядное: тепло, выделяемое при «разрядке» молекулы, оказалось достаточным для кипячения воды при комнатных условиях.
А это уже серьёзный рубеж. Кипячение воды требует значительных энергозатрат. Если материал справляется с такой задачей, значит, речь идёт не о лабораторной экзотике, а о потенциально прикладной технологии.
Возможные применения
Поскольку молекула растворима в воде, её можно циркулировать через солнечные коллекторы на крыше дома, «заряжая» днём. Затем нагретый раствор можно хранить в резервуаре и использовать ночью для обогрева или нагрева воды.
В отличие от традиционных солнечных панелей, где требуется отдельная система аккумуляторов, здесь сам материал одновременно является и накопителем, и переносчиком энергии.
Это открывает перспективы для автономных систем отопления, мобильных источников тепла для кемпинга, а также для зданий, не подключённых к централизованной электросети.
Почему это важно?
Возобновляемая энергетика сталкивается не только с задачей генерации, но и с проблемой хранения энергии. Электрические батареи дороги, требуют редких материалов и имеют ограниченный срок службы.
Молекулярное солнечное хранение энергии предлагает альтернативный путь: сохранять солнечный свет напрямую в химических связях — компактно, многократно и без тяжёлых аккумуляторов.
Можно ли представить дома будущего, где по трубам циркулируют «заряженные» солнечным светом молекулы, а тепло высвобождается тогда, когда это действительно нужно? Похоже, мы сделали ещё один шаг к такой реальности.
