Επιστήμονες ανακάλυψαν τρόπο αποθήκευσης ηλιακού φωτός σε υγρό και χρήσης του ανά πάσα στιγμή
Το σύστημα περιγράφεται ως μια «επαναφορτιζόμενη» ηλιακή μπαταρία, αλλά σε αντίθεση με τις συμβατικές τεχνολογίες που μετατρέπουν το φως σε ηλεκτρική ενέργεια, εδώ η ενέργεια αποθηκεύεται απευθείας μέσα σε μια χημική δομή
Snapshot
- Ερευνητές του UC Santa Barbara ανέπτυξαν ένα μόριο, την πυριμιδόνη, που αποθηκεύει ηλιακή ενέργεια χημικά και την απελευθερώνει με τη μορφή θερμότητας όποτε χρειάζεται.
- Το μόριο λειτουργεί σαν συμπιεσμένο ελατήριο, είναι επαναχρησιμοποιήσιμο και διατηρεί σταθερότητα σε πολλαπλούς κύκλους αποθήκευσης και απελευθέρωσης ενέργειας.
- Η ενεργειακή πυκνότητα του μορίου ξεπερνά τα 1,6 MJ/kg, υψηλότερη από τις συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου, επιτρέποντας πρακτικές εφαρμογές όπως η θέρμανση νερού σε κανονικές συνθήκες.
- Η διαλυτότητα και η απλότητα του σχεδιασμού καθιστούν το μόριο κατάλληλο για κυκλοφορία σε ηλιακούς συλλέκτες και άμεση αποθήκευση θερμικής ενέργειας χωρίς επιπλέον συστήματα μπαταριών.
- Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο Science και σηματοδοτεί σημαντική πρόοδο στην πραγματοποίηση της μοριακής θερμικής αποθήκευσης ηλιακής ενέργειας, ειδικά για εφαρμογές θέρμανσης.
Μια ανακάλυψη που θα μπορούσε να αλλάξει τα δεδομένα στην αποθήκευση ενέργειας έρχεται από ερευνητές του University of California, Santa Barbara, οι οποίοι ανέπτυξαν ένα μόριο ικανό να «παγιδεύει» την ηλιακή ενέργεια και να την απελευθερώνει όποτε χρειάζεται.
Το σύστημα περιγράφεται ως μια «επαναφορτιζόμενη» ηλιακή μπαταρία, αλλά σε αντίθεση με τις συμβατικές τεχνολογίες που μετατρέπουν το φως σε ηλεκτρική ενέργεια, εδώ η ενέργεια αποθηκεύεται απευθείας μέσα σε μια χημική δομή.
Σύμφωνα με τη δημοσίευση στο επιστημονικό περιοδικό Science, πρόκειται για ένα σημαντικό βήμα στην προσπάθεια να ξεπεραστεί ένα από τα βασικά προβλήματα των ανανεώσιμων πηγών: η εξάρτηση από το φως της ημέρας.
Το σύστημα εντάσσεται στον τομέα της μοριακής θερμικής αποθήκευσης ηλιακής ενέργειας (MOST), έναν κλάδο που επιχειρεί να «κλειδώσει» την ενέργεια του ήλιου μέσα σε μόρια. Αν και η ιδέα δεν είναι καινούργια, η επίτευξη ταυτόχρονα υψηλής απόδοσης και σταθερότητας παρέμενε μέχρι σήμερα δύσκολη.
Ένα μόριο που λειτουργεί σαν ελατήριο
Στο επίκεντρο της έρευνας βρίσκεται μια ένωση που ονομάζεται πυριμιδόνη. Το μόριο αυτό αλλάζει δομή όταν εκτίθεται στο ηλιακό φως, μεταβαίνοντας σε μια κατάσταση υψηλής ενέργειας. Με αυτόν τον τρόπο «αποθηκεύει» την ηλιακή ενέργεια στο εσωτερικό του.
Η επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, Nguyen Han, εξηγεί ότι το μόριο λειτουργεί σαν ένα συμπιεσμένο ελατήριο: απορροφά ενέργεια όταν ενεργοποιείται από το φως και την απελευθερώνει αργότερα με τη μορφή θερμότητας όταν δοθεί το κατάλληλο ερέθισμα. Όπως τονίζει, το σύστημα είναι επαναχρησιμοποιήσιμο και ανακυκλώσιμο, καθώς μπορεί να επαναλαμβάνει τον ίδιο κύκλο χωρίς να υποβαθμίζεται.
«Αυτό το είδος αναστρέψιμης αλλαγής είναι ακριβώς αυτό που μας ενδιαφέρει. Μόνο που αντί να αλλάζουμε χρώμα, θέλουμε να αποθηκεύουμε ενέργεια, να την απελευθερώνουμε όταν τη χρειαζόμαστε και να επαναχρησιμοποιούμε το υλικό ξανά και ξανά», σημειώνει.
Έμπνευση από το DNA και τα καθημερινά υλικά
Για τη δημιουργία του μορίου, οι ερευνητές άντλησαν έμπνευση από τη δομή του DNA αλλά και από φωτοχρωμικά υλικά, όπως οι φακοί που σκουραίνουν στο φως. Τα συστήματα αυτά έχουν την ικανότητα να αλλάζουν μορφή υπό την επίδραση της ακτινοβολίας και να επιστρέφουν στην αρχική τους κατάσταση.
Η πυριμιδόνη μιμείται τμήματα του DNA που αντιδρούν στην υπεριώδη ακτινοβολία. Με τη βοήθεια υπολογιστικών μοντέλων από τον K. N. Houk του University of California, Los Angeles, η ομάδα κατάφερε να βελτιστοποιήσει το μόριο ώστε να διατηρεί την ενέργεια για μεγάλο χρονικό διάστημα χωρίς να χάνει τη σταθερότητά του.
Η ίδια η Nguyen επισημαίνει ότι ο σχεδιασμός βασίστηκε στην απλότητα: αφαιρέθηκαν περιττά στοιχεία ώστε να δημιουργηθεί ένα συμπαγές και αποδοτικό μόριο, ικανό να αποθηκεύει ηλιακή ενέργεια με τον πιο άμεσο τρόπο.
Ενέργεια αρκετή για να βράσει νερό
Ένα από τα πιο εντυπωσιακά στοιχεία της έρευνας είναι η ενεργειακή πυκνότητα του υλικού, η οποία ξεπερνά τα 1,6 MJ/kg. Για λόγους σύγκρισης, οι τυπικές μπαταρίες ιόντων λιθίου φτάνουν περίπου τα 0,9 MJ/kg. Η επίδοση αυτή θεωρείται ιδιαίτερα υψηλή για συστήματα MOST.
«Το να βράσεις νερό απαιτεί μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Το γεγονός ότι μπορούμε να το πετύχουμε υπό συνθήκες περιβάλλοντος είναι ένα σημαντικό επίτευγμα», δήλωσε η Nguyen σε ανακοίνωση του πανεπιστημίου.
Η διαλυτότητα του μορίου ανοίγει τον δρόμο για πρακτικές εφαρμογές. Θα μπορούσε, για παράδειγμα, να κυκλοφορεί μέσα σε ηλιακούς συλλέκτες, να αποθηκεύει ενέργεια κατά τη διάρκεια της ημέρας και να την αποδίδει αργότερα ως θερμότητα.
Όπως σημειώνει ο συν-συγγραφέας Benjamin Baker, «με τα συμβατικά φωτοβολταϊκά χρειάζεσαι ένα επιπλέον σύστημα μπαταριών για να αποθηκεύσεις την ενέργεια. Στη μοριακή θερμική αποθήκευση, το ίδιο το υλικό λειτουργεί ως αποθήκη ενέργειας».
Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο Science, δείχνει ότι η ιδέα της «υγρής αποθήκευσης ηλιακού φωτός» δεν ανήκει πλέον στη σφαίρα της θεωρίας, αλλά πλησιάζει σταδιακά σε ρεαλιστικές εφαρμογές, ιδιαίτερα στον τομέα της θέρμανσης, όπου η ανάγκη για αποδοτικές και βιώσιμες λύσεις είναι πιο πιεστική από ποτέ.
