Химики создали молекулу, которая хранит солнечное тепло годами: видео
Химики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре создали необычное органическое соединение, которое способно поглощать солнечный свет, удерживать его в химических связях годами, а затем по сигналу выделять накопленную энергию в виде тепла. В лабораторных тестах этого тепла хватило, чтобы вскипятить воду при комнатной температуре. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.
Материал относится к направлению молекулярного хранения солнечной тепловой энергии (Molecular Solar Thermal Energy Storage, MOST). В отличие от солнечных панелей, где свет сначала преобразуется в электричество, а затем сохраняется в аккумуляторах, здесь энергия фиксируется непосредственно в структуре молекулы.
Как работает «молекулярная пружина»
Молекула, разработанная командой доцента Грейс Хан, ведет себя как сжатая пружина. Под действием света она меняет конфигурацию и переходит в более энергичное состояние. В таком виде соединение может оставаться стабильным длительное время. При нагреве или добавлении катализатора оно возвращается в исходную форму и выделяет тепло.
В эксперименте использовали кислотный катализатор: так называемый изомер Дьюара переходил обратно в стабильное состояние, сопровождаясь резким тепловыделением. Энергия передавалась воде, где растворена молекула, и около 0,5 мл жидкости нагревалось до кипения без внешнего источника тепла.
Такой подход позволяет обходиться без отдельных аккумуляторов: носителем и хранилищем энергии служит сам материал.
«Эта концепция предполагает многоразовое использование и переработку», — поясняет аспирант Хан Нгуен, ведущий автор работы.
Он приводит аналогию с фотохромными солнцезащитными очками: на солнце линзы темнеют, в помещении снова становятся прозрачными. Это обратимое изменение состояния. В данном случае аналогичный принцип применяется не для изменения цвета, а для накопления и контролируемого высвобождения тепла.
Идея из структуры ДНК
Основой соединения стал пиримидон — молекула, структурно напоминающая один из компонентов ДНК. Под действием ультрафиолета такие фрагменты могут менять конфигурацию и затем возвращаться в исходное состояние.
С помощью компьютерного моделирования, проведенного совместно с химиком Кеном Хоуком из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, исследователи подобрали структуру, сочетающую устойчивость и высокую энергоемкость.
«Мы стремились создать максимально компактную молекулу и убрали все структурные элементы, не влияющие на хранение энергии», — говорит Нгуен.
Сколько энергии она хранит
Плотность хранения превышает 1,6 мегаджоуля на килограмм. Для сравнения, у типичной литий-ионной батареи показатель около 0,9 мегаджоуля на килограмм. В пересчете на массу соединение способно удерживать почти вдвое больше энергии.
Схема работы такова: свет переводит молекулу в энергетически более насыщенное состояние; добавление кислоты инициирует обратное превращение с выделением тепла. Этого достаточно, чтобы довести небольшой объем воды до кипения.
«Кипячение воды — энергоемкий процесс. Возможность сделать это в обычных условиях подтверждает эффективность подхода», — отмечает Нгуен.
Где это может пригодиться
Авторы рассматривают портативные системы нагрева, автономные установки и бытовые решения. Поскольку вещество растворимо в воде, раствор можно прокачивать через солнечные коллекторы: днем он накапливает энергию, ночью — отдает ее в виде тепла.
Соавтор работы Бенджамин Бейкер подчеркивает, что в этой технологии сам материал выполняет функцию накопителя, без отдельной аккумуляторной системы.
Метод пока находится на ранней стадии разработки. Однако результаты показывают, что солнечную энергию можно хранить не только в батареях, но и напрямую в химической структуре вещества, что потенциально открывает альтернативный путь для систем накопления энергии.
