Как слънчевото изгаряне вдъхнови нов начин за съхранение на енергия

Слънцето понякога грее и в Бостън – но не по този начин. Когато преди няколко години професорът по химия Грейс Хан за първи път посещава Южна Калифорния от Бостън, тя веднага забелязва разликата. Кожата ѝ започвала да изтръпва още след няколко часа навън при първите признаци на раздразнение, пише BBC.

Миналата година тя се премества, за да започне работа в Калифорнийския университет в Санта Барбара, и редовно започва да носи широкопола шапка, слънчеви очила и обилно количество слънцезащитен крем. А като професор по химия, тя вече била направила своето проучване.

Просто четях за фотохимията на ДНК – за удоволствие“, спомня си тя.

Тогава осъзнала, че молекулите на ДНК в човешката кожа, които се увреждат при слънчево изгаряне, могат да ѝ помогнат. Под въздействието на слънцето тези молекули променят формата си, преминавайки в напрегната версия на обичайната си структура.

От десетилетия учените търсят молекули, които могат да променят формата си, като в процеса съхраняват енергия, а след това да бъдат върнати към първоначалното си състояние, освобождавайки натрупаната енергия при поискване.

Нещо като капан за мишки, който първо се зарежда, а после се задейства. Технологията е известна като молекулярно слънчево-термично съхранение на енергия (MOST) и представлява потенциално много евтин и беземисионен начин за осигуряване на топлина. Подобни системи могат да съхраняват енергия в продължение на месеци, дори години.

Досега учените имаха ограничен успех с технологията, но благодарение на калифорнийското слънце Хан знаела какво да опита следващо.

Важно е промяната във формата на молекулите, които съхраняват енергията, да се активира плавно и многократно. За щастие милиони години еволюция вече са усъвършенствали този процес при определени растения и животни.

В известен смисъл всички живи организми са химически лаборатории, а някои от тях са еволюирали така, че да могат да възстановяват деформираните от слънцето молекули с помощта на ензим, наречен фотолиаза.

Хан осъзнала, че тези молекули са идеални кандидати за система за съхранение на енергия.

Те са много, много малки“, обяснява тя. „И могат да съхраняват огромно количество енергия спрямо масата си.“

В научна статия, публикувана през февруари, тя и колегите ѝ описват най-обещаващата подобна система за съхранение на енергия досега – поне по отношение на енергийната плътност. Системата била достатъчно мощна, за да накара „много малък чайник“ в лабораторен съд бързо да изпари малко количество вода, разказва Хан.

Студентите ѝ, които провели тази част от изследването, веднага се втурнали да ѝ съобщят резултатите.

Когато видях видеото и колко бързо завира целият разтвор, това беше наистина впечатляващо“, спомня си тя.

Тя подчертава, че ключова роля за успеха са изиграли компютърните анализи, предсказващи как ще се държи молекулата, изготвени от нейния сътрудник Кендъл Хоук от Калифорнийския университет в Лос Анджелис и неговия екип.

Друг изследовател в областта на MOST – Каспер Мот-Поулсен, който ръководи научни екипи в Политехническия университет на Барселона и други институции – не е участвал в проучването, но е впечатлен от резултатите.

Мисля, че нашите най-добри системи достигаха един мегаджаул енергия на килограм. А те постигнаха 1.6, което е наистина невероятно“, казва той по повод енергийната плътност, постигната от Хан и колегите ѝ.

Регистрираните в публикацията 1.65 мегаджаула на килограм са значително повече от енергийната плътност на литиево-йонните батерии – най-популярният тип батерии за телефони и електромобили днес.

Системата MOST, разработена от Хан и екипа ѝ, все пак има и ограничения. От една страна, дължината на светлинната вълна, която кара молекулите в основата на системата да променят формата си, е 300 нанометра – форма на „много агресивна UV светлина“, обяснява Джон Грифин от Университета в Ланкастър. „Тя достига до нас от слънцето, но в много малки количества.“

Освен това спусъкът, използван за връщането на деформираната молекула към първоначалната ѝ форма и освобождаването на енергията, е солна киселина – силно корозивно вещество, което трябва да бъде неутрализирано след употреба. „Не е най-идеалният избор“, признава Хан.

Тя обаче е оптимист, че системата може да бъде подобрена така, че да реагира по-добре на естествена светлина и да освобождава енергията без нужда от токсични химикали.

Крайната цел на подобни разработки е декарбонизацията на отоплението – сектор, който традиционно е много труден за трансформация.

Светът все още разчита основно на изкопаеми горива за отопление. А молекулярните слънчево-термични системи и изкопаемите горива всъщност са две форми на химическо съхранение на енергия. Но технологията MOST „работи без да изгаря каквото и да било“, подчертава Мот-Поулсен.

Освен това MOST може да бъде използвана навсякъде по света, за разлика от изкопаемите горива, които са концентрирани само в определени региони. Именно затова блокадата на Ормузкия проток наскоро предизвика толкова сериозни проблеми, отбелязва той. Горивата, произведени в тази част на света, просто не могат да достигнат до местата, където са необходими.

Мот-Поулсен посочва още, че системите MOST могат да съхраняват енергия дългосрочно – дори в продължение на десетилетия. За сравнение, топлинната енергия, съхранявана като топлина, обикновено издържа само часове, дни или в най-добрия случай месеци.

Има обаче и още нещо, което трябва да се вземе предвид, казва Хари Хостер от Университета Дуисбург-Есен, който е и научен директор на германския Център за технологии на горивните клетки ZBT.

Светлочувствителните молекули в една MOST система трябва да бъдат разпределени в сравнително тънък слой. Ако слоят е прекалено дебел, светлината няма да прониква достатъчно добре до всички молекули. „В един наистина оптимистичен сценарий вероятно бихте могли да направите слой с дебелина 5 мм“, смята Хостер.

Освен това, когато молекулите са в течност, вероятно ще е необходимо течността да бъде премествана или изпомпвана от една част на системата към друга, за да се съхранява или освобождава енергията. Това увеличава разходите и усложнява системата. „В момента, в който трябва да помпате неща, се появяват повече компоненти, които могат да се повредят“, казва Хостер.

Грифин посочва, че той и колегите му работят върху твърдотелни версии на технологията MOST. Хан, която също изследва твърди варианти на системата, казва, че те биха могли например да бъдат използвани като прозрачни покрития за прозорци. Така биха могли да отделят топлина, за да предотвратяват конденз или дори да затоплят помещения.

Хостер обаче е скептичен, че MOST ще може да осигури цялото необходимо отопление за една сграда. Но технологията може да бъде полезна за затопляне на температурно чувствителни компоненти в сателити или самолети.

Това е страхотна наука“, добавя той. „Прекрасно е, че са успели да постигнат тази функционалност.“

Изследванията и иновациите вероятно ще продължат, макар че засега областта остава сравнително нишова. Грифин си спомня, че на конференция за технологията MOST миналата година е имало около 70 участници. „Това беше практически цялата световна общност, която работи по темата.“