Химический трюк делает возможным то, чего до сих пор не могли сделать солнечные тепловые системы: сохранять тепло без потерь в течение многих лет.
Любой, у кого есть солнечная система на крыше, знает дилемму: в полдень они производят больше, чем потребляет домохозяйство. Вечером, когда семья готовит, принимает душ и обогревается, уже ничего не доставляют. Без хранилища или подключения к публичной сети ничего изменить невозможно.
Подробности читайте после объявления
Если вы полагаетесь в первую очередь на солнечную тепловую энергию, вам нелегко сохранять тепло в течение длительного времени. Исследователи из Калифорнии нашли решение этой проблемы: пиримидон, модифицированная органическая молекула.
Химик Грейс Хан и ее коллеги из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре представили его в журнале. Наука до. Его можно использовать для улавливания солнечного света непосредственно в его химических связях.
И энергия сохраняется там – при необходимости, на долгие годы. Только целенаправленный импульс выделяет его в виде полезного тепла.
Молекулярная пружина, улавливающая свет
Функциональный принцип можно объяснить на примере повседневного предмета. Хан Нгуен, ведущий автор исследования, проводит сравнение с самозатемняющимися линзами: в помещении они остаются прозрачными, снаружи на солнце темнеют — и возвращаются в исходное состояние, когда вы входите внутрь.
Именно этой обратимостью команда пользуется не для изменения цвета, а для накопления энергии.
Подробности читайте после объявления
Пиримидон ведет себя как крошечная пружина: при попадании на него света он скручивается, принимая тугую форму и сохраняя устойчивость. Только когда срабатывает триггер – например, каталитический нейтрализатор или небольшой тепловой импульс – он возвращается в исходное положение и высвобождает собранную энергию в виде тепла.
Исследователи нашли идею этого механизма в природе: некоторые строительные блоки человеческой ДНК меняют свою структуру очень похожим образом под воздействием УФ-излучения.
Вместе с компьютерным химиком Кеном Хоуком из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе команда создала синтетическую версию этой биологической модели, оптимизированную для хранения энергии.
Больше энергии на грамм, чем у литий-ионного аккумулятора
Ёмкость молекулы значительно превосходит традиционную аккумуляторную технологию. Имея плотность энергии более 1,6 мегаджоуля на килограмм, он удерживает примерно в два раза больше энергии, чем стандартная литий-ионная батарея, у которой около 0,9 мегаджоуля.
Еще более примечательно: энергия сохраняется до трех лет, не рассеиваясь – в отличие от горячей воды в накопительном резервуаре, которая постоянно теряет тепло в окружающую среду.
Команда продемонстрировала, сколько тепла на самом деле может быть выделено в лабораторном эксперименте: 107 миллиграммов заряженного материала в полмиллилитра воды довели жидкость до кипения в течение полсекунды после добавления соляной кислоты в качестве триггера.
Жидкостный тепловой аккумулятор для кровли и подвала
В отличие от обычных солнечных систем, эта технология обеспечивает не электроэнергию, а целевое тепло. Поскольку пиримидон растворяется в воде, он может циркулировать в виде жидкости через коллекторы на крыше дома, заряжаться там в течение дня, а затем оставаться в резервуаре.
Ночью или при необходимости каталитический нейтрализатор будет получать доступ к накопленному теплу – для отопления, горячего водоснабжения или других тепловых целей. После высвобождения энергии молекулу можно перезарядить солнечным светом и использовать снова и снова, не израсходовав ее.
От лаборатории до повседневной жизни еще далеко.
Какими бы многообещающими ни казались результаты, все еще существует несколько препятствий, которые мешают использованию этой молекулы в домах. Оксфордский химик Мэтью Фухтер отмечает, что материалу пока требуется ультрафиолетовый свет определенной длины волны и он имеет сравнительно длительное время зарядки.
Для практического использования его необходимо доработать, чтобы всего спектра солнечного света было достаточно для быстрой зарядки. Вопрос масштабирования также остается открытым: пока команда производила вещество только в граммовых количествах. Резервуар на жилом доме потребует совершенно других размеров.
