Jak DNA pomogło w magazynowaniu energii?
Inspiracją dla badaczy okazał się fundament życia, czyli DNA. Zmodyfikowany związek organiczny zwany pirymidonem swoją budową przypomina jeden z elementów nici DNA. Kluczową właściwością jest tutaj odwracalna reakcja wywoływana przez światło. Pod wpływem promieniowania UV cząsteczka zmienia swój kształt, akumulując energię. Kiedy zachodzi potrzeba jej uwolnienia, można ten proces odwrócić, a materiał wraca do stanu wyjściowego, gotowy do ponownego naładowania.
Czytaj też: Miniaturowe źródło, które dostarcza energię przez lata. Badania pokazały, jak wykorzystać izomer molibdenu
Pomyśl o okularach fotochromowych. Kiedy jesteś w pomieszczeniu, to tylko przezroczyste soczewki. Wychodzisz na słońce, a one same ciemnieją. Wracasz do środka, a soczewki znów stają się przezroczyste. Ten rodzaj odwracalnej zmiany nas interesuje. Tyle że zamiast zmieniać kolor, chcemy wykorzystać ten sam pomysł do magazynowania energii, uwalniania jej, gdy jej potrzebujemy, a następnie wielokrotnego wykorzystywania materiału – tłumaczy Han Nguyen, współautor badań
Projekt molekuły został starannie obliczony przy użyciu modelowania komputerowego we współpracy z ekspertami z UCLA. Chodziło o to, by osiągnąć maksymalną wydajność przy jak najprostszej i najbardziej stabilnej strukturze. Efektem jest kompaktowa cząsteczka, która spełnia swoją funkcję bez zbędnych komplikacji.
Zaskakująca gęstość energii
Liczby, które podają naukowcy, robią wrażenie. Opracowany materiał dostarcza ponad 1,6 megadżula energii na kilogram. Dla porównania, typowy akumulator litowo-jonowy osiąga gęstość energii na poziomie około 0,9 MJ/kg. Oznacza to, iż pod względem masy, nowy materiał może przechować prawie dwa razy więcej energii niż powszechnie stosowane akumulatory. Ta energia nie jest tylko liczbową abstrakcją. W warunkach laboratoryjnych ciepło uwolnione z cząsteczki było wystarczające, by doprowadzić wodę do wrzenia w temperaturze pokojowej.
Gotowanie wody to proces energochłonny. Fakt, że możemy zagotować wodę w warunkach otoczenia, jest dużym osiągnięcie – dodaje Nguyen
Najistotniejsza różnica w stosunku do fotowoltaiki polega na tym, że materiał sam w sobie jest magazynem. Nie wymaga zewnętrznego systemu akumulatorów, który trzeba później ładować, rozładowywać i w końcu utylizować.
Od biwakowania po ogrzewanie domów, czyli potencjalne zastosowania
Potencjalne zastosowania tej technologii, zwanej molekularnym magazynowaniem energii słonecznej (MOST), są dość zróżnicowane. W najprostszym wydaniu mogłaby zasilać systemy turystyczne. Wystarczyłoby wystawić pojemnik z materiałem na słońce w ciągu dnia, a wieczorem użyć zgromadzonego ciepła do przygotowania gorącego posiłku w terenie. Bardziej zaawansowany scenariusz dotyczy ogrzewania budynków. Ponieważ cząsteczka rozpuszcza się w wodzie, mogłaby krążyć w obiegu zamkniętym pomiędzy kolektorami na dachu a zbiornikiem magazynującym. W dzień pochłaniałaby energię, a nocą oddawała ciepło do systemu grzewczego na żądanie.
Czytaj też: Pierwszy taki pożar magazynu energii w historii. Wynik zaskoczył nawet inżynierów
Materiał nadaje się do wielokrotnego użytku i, przynajmniej w teorii, mógłby pracować przez wiele lat bez znaczącej degradacji, podobnie jak wspomniane okulary fotochromowe. To obiecująca wizja pod względem zrównoważonego rozwoju, ponieważ jeden materiał wystarczy zamiast zestawu baterii i paneli. Pytanie brzmi, jak sprawdzi się poza kontrolowanym środowiskiem laboratorium. Oczywiście technologia MOST wymaga teraz dalszych badań, optymalizacji pod kątem kosztów produkcji i trwałości w rzeczywistych warunkach.