Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре совершили прорыв в области альтернативной энергетики, разработав молекулу, способную улавливать солнечный свет, хранить его в химических связях на протяжении нескольких лет и высвобождать по требованию в виде тепла. Мощности этого тепла достаточно, чтобы вскипятить воду в обычных условиях.
Разработанный материал представляет собой модифицированное органическое соединение — пиримидон. Он относится к перспективному направлению MOST (Molecular Solar Thermal energy storage), или молекулярному хранению солнечной тепловой энергии. В отличие от традиционных солнечных панелей, преобразующих свет в электричество, новая технология запасает энергию напрямую в структуре вещества.
Принцип работы молекулы сравнивают с механической пружиной. Под воздействием солнечного света она скручивается, переходя в высокоэнергетическое состояние, и фиксируется в нем. Этот «напряженный» режим может сохраняться годами без потерь. Чтобы высвободить накопленное, достаточно воздействовать на материал теплом или катализатором: молекула мгновенно «распрямляется», отдавая энергию в виде тепла.
«Эту концепцию можно использовать многократно, и она пригодна для вторичной переработки, — объясняет Хан Нгуен, аспирант и ведущий автор исследования. — Представьте фотохромные очки. Внутри помещения линзы прозрачны, но стоит выйти на солнце — они темнеют. Мы хотим использовать ту же обратимую реакцию, но вместо изменения цвета накапливать энергию, выпускать её, когда нужно, и снова применять материал».
При создании молекулы ученые обратились к природе, а именно — к структуре ДНК. Пиримидон напоминает один из компонентов ДНК, способный к обратимым изменениям под ультрафиолетом. Синтезировав искусственный аналог, команда добилась впечатляющей стабильности. С помощью коллег из UCLA под руководством Кена Хоука исследователи применили компьютерное моделирование, чтобы понять механизмы сохранения энергии. Приоритетом была компактность: «Мы отсекли всё лишнее, чтобы сделать молекулу максимально легкой», — добавляет Нгуен.
Результаты превзошли ожидания. Энергетическая плотность нового соединения превышает 1,6 мегаджоуля на килограмм, что почти вдвое больше, чем у стандартного литий-ионного аккумулятора (0,9 МДж/кг). Кроме того, материал обошел предыдущие поколения оптических накопителей энергии. Ключевым достижением лабораторных испытаний стало кипячение воды в обычных условиях — процесс, требующий больших затрат энергии.
«Тот факт, что мы можем вскипятить воду в стандартной среде — большое достижение, — подчеркивает Нгуен. — Это переход от теории к практике».
Сфера применения новой разработки обширна: от автономных туристических систем до бытового нагрева воды. Материал растворим в воде, что позволяет использовать его в контурах солнечных коллекторов на крышах. Днем циркулирующий раствор будет накапливать энергию и сливаться в резервуары, а ночью — отдавать тепло. Как отмечает соавтор исследования Бенджамин Бейкер, принципиальное преимущество технологии в том, что здесь не нужна дополнительная батарея: «Солнечные панели требуют внешней системы хранения, а в MOST сам материал является накопителем».