O energii słonecznej najczęściej rozmawiamy w kontekście, jak to wycisnąć jeszcze więcej procent sprawności z panelu fotowoltaicznego. Tyle że im dłużej śledzę rozwój czystej energetyki, tym mocniej mam wrażenie, że sama produkcja prądu ze Słońca przestała być najciekawszym fragmentem tej historii. Prawdziwy problem zaczyna się chwilę później. Wtedy, gdy światło znika, instalacja przestaje pracować pełną mocą, a my nadal chcemy zasilać elektronikę, prowadzić reakcje chemiczne, oczyszczać środowisko albo utrzymywać przy życiu coraz bardziej głodne energetycznie miasta.
Żółta ciecz, czarny żel i pomysł, który wygląda jak biologia bez biologii
Najkrócej da się opisać ten nowy materiał tak – ta żółta ciecz po przyjęciu energii zmienia się w czarny żel, przechowuje energię nawet miesiącami, później może zasilać reakcje chemiczne w ciemności, a po kontakcie z tlenem z powietrza wraca do stanu wyjściowego. Wygląda to więc na materiał spoza Ziemi i kojarzy mi się dziwnie z marvelowskimi symbiontami i Venomem w roli głównej.
Czytaj też: Pompa ciepła i stare grzejniki. Viessmann celuje w najtrudniejszy domowy problem
Nie mamy bowiem do czynienia z klasycznym panelem, który produkuje prąd, ani z typowym akumulatorem, który ten prąd przyjmuje i później oddaje. Najciekawsze jest połączenie kilku ról w jednym materiale. Pozyskiwanie energii, jej magazynowanie i późniejsze wykorzystanie nie wymagają tu bowiem osobnych elementów złożonych w większy układ. Właśnie w tym miejscu zaczyna się najbardziej futurystyczny fragment całej sprawy, bo mówimy o materiale, który nie tylko “trzyma” energię, ale fizycznie przebudowuje własną strukturę, żeby ją zachować.
Inspiracja przyszła z cytoszkieletu, czyli wewnętrznego rusztowania komórki. Komórki nie są przecież nieruchomymi woreczkami z chemią w środku. Potrafią budować struktury, rozkładać je, przesuwać elementy, dzielić się i reagować na bodźce. Naukowcy nie zbudowali oczywiście żywej substancji, ale wykorzystali podobną ideę dynamicznej organizacji. Materiał nie “mutuje” w biologicznym sensie, lecz przechodzi między stanami, składając się i rozpadając w odpowiedzi na elektrony.
Dla mnie jest to znacznie ciekawsze niż kolejna obietnica “paneli przyszłości”. Przy ogniwach słonecznych przechwytujących również podczerwień ciągle mówimy o rozszerzaniu możliwości pozyskiwania energii ze światła. Tutaj dochodzi inny poziom ambicji, bo drzemie tu odpowiedź na pytanie co zrobić z energią, kiedy już zostanie przechwycona, i jak przechować ją w czymś, co nie przypomina klasycznego metalowo-plastikowego magazynu.
ANI-MV, czyli chemia, która składa się pod wpływem elektronów
Sercem tego materiału jest zaprojektowana cząsteczka ANI-MV. Składa się ona z dwóch zasadniczych części. Fragment ANI, czyli jednostka aminonaftalenowa, reaguje na światło. Fragment MV, czyli metylowiologen, magazynuje elektrony. Układ działa więc trochę jak molekularny duet, w którym jedna część odbiera energię, a druga przejmuje nośniki ładunku.
Gdy ANI przyjmuje energię, oddaje elektrony do MV. Wtedy zaczyna się proces samoorganizacji. Cząsteczki bogate w elektrony zaczynają silnie się przyciągać i tworzyć tak zwane pimery. Następnie układają się w półprzewodzące nanowstęgi, w których elektrony nie są już zamknięte w pojedynczych miejscach, lecz mogą poruszać się po większej strukturze. Gdy takich wstęg robi się więcej i zaczynają się ze sobą splatać, ciecz zamienia się w czarny, przewodzący żel.
Czytaj też: Panele słoneczne marnują część słonecznej uczty. Ten wynalazek chce zjeść resztki
W praktyce oznacza to, że magazyn energii powstaje nie przez wsunięcie jonów do elektrody, jak w klasycznym akumulatorze litowo-jonowym, ale przez zmianę organizacji całej sieci molekularnej. Materiał przechodzi z drobnych, nieprzewodzących skupisk w większą, przewodzącą strukturę, w której elektrony zostają rozłożone po sieci. Właśnie dlatego ten eksperyment jest tak osobliwy. Energia nie tylko “siedzi” w materiale. Energia zmienia jego formę.
Najmocniej zainteresowało mnie jednak pojęcie “dark photocatalysis”, czyli fotokatalizy działającej po zniknięciu światła. W typowym ujęciu materiał światłoczuły potrzebuje ciągłego oświetlenia, żeby napędzać reakcje. Gdy źródło światła znika, proces gaśnie albo szybko traci użyteczność. Tutaj naładowany żel może przekazać zmagazynowaną energię tlenowi, tworząc tym samym reaktywne cząsteczki, które później napędzają reakcje chemiczne w całkowitej ciemności. Właśnie ten fragment wydaje mi się najbardziej praktyczny, bo pokazuje materiał jako coś pomiędzy magazynem energii, katalizatorem i programowalnym podłożem chemicznym.
Świat energetyki ma już dziś problem nie z samym udowodnieniem, że słońce daje potężne ilości energii. Kłopotem pozostaje rytm tej energii. W dzień jej bywa za dużo, wieczorem za mało, a sieć i przemysł nie mają ochoty dopasowywać się grzecznie do chmur. Podobna logika przebija się przy bezprzewodowym ładowaniu samochodów elektrycznych, bo tam też sednem nie jest sama elektryfikacja, lecz uwolnienie użytkownika od rytuału ładowania. W przypadku tego nowego materiału z Northwestern chodzi zaś o uwolnienie reakcji od ciągłego dostępu do światła.
Reset na powietrzu skrywa całą sztuczkę
Po wykorzystaniu energii materiał nie zostaje w tym czarnym żelowym stanie na zawsze. Kontakt z tlenem rozbija zorganizowaną strukturę i przywraca żółtą ciecz. Powstają tym samym znowu drobne, nieprzewodzące skupiska cząsteczek, a później cały cykl można powtórzyć. Największą obietnicą nie jest więc tutaj wyłącznie to, że “materiał trzyma energię miesiącami”, lecz fakt, że proces ładowania, przechowywania, użycia i powrotu do stanu początkowego może zachodzić wielokrotnie w wodnym środowisku, a o wszystko bez oparcia na metalach i plastikach.
Czytaj też: Polscy naukowcy chcą wycisnąć paliwo z tego, co zwykle gnije
Ten materiał z Northwestern pokazuje natomiast inną gałąź tej samej przyszłości. Zamiast ulepszać każdy element osobno, można spróbować połączyć funkcje w jednej substancji. Zamiast budować urządzenie z wielu komponentów, można zaprojektować molekułę tak, aby sama organizowała się w strukturę użyteczną energetycznie. Zamiast traktować materiał jak bierny nośnik, można potraktować go jak dynamiczny układ, a pewne jest, że przyszłość energetyki nie musi polegać wyłącznie na produkowaniu większej ilości prądu. Będzie też polegała na tym, aby energia trafiała tam, gdzie trzeba, wtedy, kiedy trzeba, i w formie, którą da się wykorzystać bez absurdalnych strat.
Źródła: Northwestern University, EurekAlert
