Недавно созданная молекула действует как «перезаряжаемая» солнечная тепловая батарея, накапливая солнечный свет и высвобождая его по мере необходимости.

У солнечной энергии есть один существенный недостаток: она исчезает с заходом солнца. Поиск надежного способа хранения этой энергии для последующего использования остается одним из самых серьезных препятствий на пути развития возобновляемых источников энергии.

Исследовательская группа из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, возможно, нашла неожиданное решение. Вместо того чтобы использовать обычные аккумуляторы, они создали небольшую органическую молекулу, которая улавливает солнечный свет, накапливает энергию в своей структуре и затем высвобождает ее в виде тепла. В работе, опубликованной в Science, представлена новая версия технологии хранения солнечной энергии Molecular Solar Thermal (MOST) с использованием соединения под названием пиримидон.

«Концепция предполагает возможность повторного использования и переработки», — говорит ведущий автор исследования Хан Нгуен, аспирант Han Group.

Чтобы понять эту идею, Нгуен приводит знакомый всем пример. «Представьте себе фотохромные солнцезащитные очки. Когда вы находитесь в помещении, они просто прозрачные. Вы выходите на солнце, и они сами темнеют. Возвращаетесь в помещение, и линзы снова становятся прозрачными, — говорит Нгуен. — Именно такие обратимые изменения нас и интересуют. Только вместо изменения цвета мы хотим использовать ту же идею для накопления энергии, высвобождения ее, когда она нам нужна, и многократного повторного использования материала».

Дизайн, вдохновленный природой

Чтобы создать эту молекулу, исследователи обратились за вдохновением к ДНК. Структура пиримидона напоминает компонент ДНК, который может обратимо менять свою форму под воздействием ультрафиолетового излучения.

Создав синтетическую версию, команда ученых разработала молекулу, способную многократно накапливать и высвобождать энергию. Они работали с Кеном Хоуком, выдающимся профессором-исследователем из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, используя компьютерное моделирование, чтобы понять, как молекула может накапливать энергию и сохранять стабильность в течение многих лет.

«Мы сделали упор на легкую и компактную молекулу, — говорит Нгуен. — В этом проекте мы вырезали все лишнее. Все, что было не нужно, мы убрали, чтобы сделать молекулу максимально компактной».

«Перезаряжаемая батарея» для хранения тепла

В отличие от солнечных панелей, которые вырабатывают электричество, эта система накапливает солнечную энергию в химической форме. Молекула ведет себя как сжатая пружина. Под воздействием солнечного света она переходит в напряженное состояние с высокой энергией. В таком состоянии она остается до тех пор, пока не подвергнется воздействию тепла или катализатора, которые позволяют ей вернуться в исходную форму и высвободить накопленную энергию в виде тепла.

«Обычно мы называем ее перезаряжаемой солнечной батареей», — говорит Нгуен. «Он накапливает солнечный свет и может заряжаться».

Материал обладает высокими эксплуатационными характеристиками: плотность его энергии превышает 1,6 мегаджоуля на килограмм (МДж/кг) (около 0,69 британских тепловых единиц на фунт). Это примерно в два раза больше, чем у обычной литий-ионной батареи, плотность энергии которой составляет около 0,9 МДж/кг, и больше, чем у предыдущих материалов для оптических переключателей.

От теории к кипящей воде

Важнейшим прорывом для группы Хана стало превращение высокой плотности энергии в ощутимый результат. В ходе исследования ученые продемонстрировали, что выделяемое материалом тепло достаточно интенсивное, чтобы довести воду до кипения, — ранее в этой области добиться такого результата было сложно.

«Кипение воды — энергозатратный процесс, — говорит Нгуен. — Тот факт, что мы можем довести воду до кипения при обычных условиях, — большое достижение».

Эта возможность открывает широкие перспективы для практического применения — от автономного отопления в кемпингах до нагрева воды в жилых домах. Поскольку материал растворим в воде, его можно прокачивать через солнечные коллекторы, установленные на крыше, для зарядки в течение дня и хранить в резервуарах для обогрева в ночное время.

«Для солнечных панелей нужна дополнительная аккумуляторная система для хранения энергии, — говорит соавтор исследования Бенджамин Бейкер, аспирант лаборатории Хана. — При использовании молекулярного накопителя солнечной тепловой энергии сам материал способен накапливать энергию солнечного света».