Nowy rodzaj paliwa słonecznego

Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) w USA opracowali nowy rodzaj paliwa słonecznego mogącego przechowywać do 10000 razy więcej energii w porównaniu z innymi jej źródłami. Oczekuje się, że paliwo to zapewni taki sam poziom magazynowania energii na jednostkę objętości, co akumulatory litowo-jonowe i będzie mogło przechowywać energię słoneczną niemal w nieskończoność.

Ciepło na żądanie

Głównym zadaniem paliw słonecznych jest magazynowanie energii pochodzącej ze Słońca. Proces ten przebiega następująco. Typowa cząsteczka paliwa znajdująca się w stanie podstawowym A absorbuje światło słoneczne. Pod wpływem zaabsorbowanej energii, stan cząsteczki ulega zmianie – następuje przejście ze stanu A do stanu B. Stan B jest mniej stabilny w porównaniu do stanu A, ponieważ posiada wyższą energię – stan taki nazywany jest stanem wzbudzonym. Różnica energii pomiędzy tymi dwoma stanami określa ilość energii ΔE  zmagazynowanej przez pojedynczą cząsteczkę. Uwolnienie tej energii następuje w wyniku przejścia cząsteczki ze stanu B do stanu A.

„W ten sposób możemy przechowywać pewną ilość energii równą ΔE  przypadającą na każdą cząsteczkę, a następnie uzyskać do niej dostęp w formie ciepła, kiedy i gdzie tylko chcemy”, wyjaśnili członkowie grupy badawczej z MIT – Alexie Kolpak i Jeffrey Grossman. „Na przykład, ciepło to może być bezpośrednio użyte do podgrzania wody albo wytworzenia energii elektrycznej”. Po uwolnieniu ciepła, energia zmagazynowana w cząsteczkach paliwa może być z łatwością odzyskana w procesie ponownej absorpcji promieniowania słonecznego. W ogólności, przedstawiony proces może być powtarzany w nieskończoność, bez utraty wydajności.

W hybrydowym układzie azobenzen / nanorurka węglowa badanym w MIT, azobenzen jest cząsteczką przechowującą oraz uwalniającą energię. Zadaniem nanorurek węglowych jest z kolei „utrzymywanie” cząsteczek azobenzenu w bliskim kontakcie ze sobą, tak aby mogły one ze sobą oddziaływać. „Taka interakcja otwiera zupełnie nową chemiczną przestrzeń fazową do strojenia zarówno względnych energii stanów A i B, jak również i bariery reakcji pomiędzy nimi”, wyjaśnił Kolpak. „Korzystając z tych dodatkowych stopni swobody, możemy uzyskać dużo większą pojemność oraz dłuższy czas magazynowania energii w porównaniu z innymi rodzajami paliwa”.

Praktyczne korzyści

Chociaż pierwsze paliwa słoneczne opracowano już w latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych ubiegłego wieku, ulegały one jednak silnej degradacji wraz z każdym przebytym cyklem. Obecnie, oprócz paliwa słonecznego opracowanego przez zespół z MIT, istnieje jedno, stosunkowo wydajne paliwo, jednakże jest ono wykonane na bazie rutenu – bardzo rzadkiego i drogiego pierwiastka. Co więcej, gęstość energii tego paliwa jest około 10000 razy niższa niż układu azobenzen/nanorurka węglowa.

Obecnie zespół z MIT planuje wraz z innymi grupami badawczymi rozwijanie prototypowych urządzeń, które w zamierzeniu miałyby pracować w oparciu o opracowane przez nich paliwo. „Przeprowadzamy także obliczenia z pierwszych zasad, które miejmy nadzieję pomogą nam opracować inne rodzaje paliwa słonecznego”, powiedział Kolpak. „Jesteśmy szczególnie podekscytowani kilkoma systemami opartymi na koncepcji łączenia dobrze już poznanych molekuł z nanoobiektami, celem wzmocnienia ich właściwości.”

Naukowcy przyznają, że istnieje jeszcze wiele problemów do pokonania, zanim będzie można rozważać skomercjalizowanie tego rodzaju technologii. Z naukowego punktu widzenia, należy nieustannie rozwijać fundamentalne zrozumienie relacji pomiędzy geometrią układów hybrydowych bazujących na nanostrukturach a ich rozpuszczalnością w wodzie i innych rozpuszczalnikach, a następnie projektować i optymalizować łatwo rozpuszczające się struktury, które muszą posiadać dużą gęstość energii, być termicznie stabilne oraz odporne na degradację. „Z eksperymentalnego punktu widzenia, pierwszą rzeczą, którą należy zrobić, jest odpowiednie dostosowanie metod syntezy, aby można było łączyć bardzo dużo liczbę molekuł z pojedynczą nanorurką węglową lub innym nanoobiektem, który będzie oferował pożądane przez nas właściwości,” dodał Kolpak.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com