Идея «поймать солнце в бутылку» из метафоры превращается в реальность. Ученые из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) разработали решение, способное кардинально изменить подходы к использованию солнечной энергии, – специальный жидкий раствор на основе пиримидона.
Одна из главных проблем солнечной энергетики – что делать, когда солнце садится. Днем панели эффективно генерируют энергию, часть которой необходимо сохранять для использования ночью. Большинство существующих решений, в первую очередь аккумуляторы, громоздки, дороги и не всегда эффективны. Например, химические батареи теряют часть энергии при преобразовании электричества в химическую энергию и обратно.
Команда под руководством доцента Грейс Хан создала новый материал, который хранит солнечную энергию напрямую в виде тепла, устраняя необходимость в традиционных батареях. Это новая форма молекулярного солнечно-теплового (MOST) хранения, при котором энергия солнечного света запасается непосредственно в химических связях на молекулярном уровне и высвобождается позже в виде тепла.
Подход исследователей использует специально разработанную жидкость. Когда на нее попадает солнечный свет, каждая молекула в ее составе претерпевает обратимое структурное изменение, переходя из низкоэнергетической конфигурации в напряженную, высокоэнергетическую форму. Молекулу можно представить как крошечную пружину: солнечный свет «сжимает» ее, и в таком состоянии она может находиться месяцами и даже годами, не теряя накопленной энергии.
Когда требуется тепло, специальный катализатор – например, кислота или нагрев – заставляет молекулу «разжаться» и вернуться в исходную форму, высвобождая накопленную энергию. Этот процесс полностью обратим, что делает технологию многоразовой и перерабатываемой. Как объясняют разработчики, это похоже на фотохромные солнцезащитные очки, которые темнеют на солнце и снова становятся прозрачными в помещении. Только вместо изменения цвета материал накапливает и отдает энергию.
Вдохновение для создания молекулы ученые почерпнули в природе. Ее структура основана на компоненте, обнаруженном в ДНК, который также способен обратимо изменять свою структуру под действием ультрафиолетового света. Практическая польза технологии была доказана в ходе эксперимента, где высвободившегося тепла хватило, чтобы вскипятить воду – процесс, требующий значительных энергозатрат.
Новая система не просто превосходит другие экспериментальные MOST-разработки, но и выигрывает в сравнении с существующими решениями для хранения энергии. Энергетическая плотность материала достигает 1,6 МДж на килограмм, что примерно вдвое больше, чем у стандартной литий-ионной батареи (около 0,9 МДж/кг). Кроме того, молекула чрезвычайно стабильна: расчетный период полураспада накопленной энергии при комнатной температуре составляет до 481 дня.
Поскольку система представляет собой жидкий раствор, ее легко масштабировать и интегрировать в существующие коммуникации. Для увеличения емкости хранилища достаточно просто использовать больший объем жидкости, которую можно перекачивать и хранить с помощью обычных труб. Именно это свойство и лежит в основе описания «солнце в бутылке».
Среди возможных сценариев применения – солнечный коллектор на крыше, который в течение дня пропускает через себя жидкий материал, «заряжая» его. Затем «заряженная» жидкость хранится в изолированном резервуаре до тех пор, пока не понадобится тепло для отопления, горячей воды или приготовления пищи. Технология также открывает возможности для сезонного хранения энергии – накопления летом для использования зимой – и даже для выработки электричества при интеграции с термоэлектрическими генераторами.
