Вчені навчилися «консервувати» сонячне тепло на зиму

Просте нагрівання води в сонячному колекторі на даху не дозволяє зберігати тепло надовго. Було б чудово нагріти теплоносій влітку, а витрачати його взимку. Саме до цього прагнуть розробники систем накопичення тепла на основі молекулярної теплової інверсії, коли під дією світла молекула поглинає енергію, а потім контрольовано її віддає. У цій галузі довгий час не було проривів, але тепер наша ДНК підказала правильний напрямок.

Приклад сонячного колектора для нагріву води. Джерело зображення: Kypros

Дослідники з Університетів Каліфорнії в Санта-Барбарі та Лос-Анджелесі розробили похідне 2-піримідону — сполуки, родинної тиміну в складі ДНК. Ідея запозичена з природного процесу: ультрафіолетове випромінювання викликає в ДНК пошкодження, які можуть перетворюватися на високоенергетичні ізомери Дьюара. І якщо у людини це може призвести до онкології, то в системі накопичення тепла — це просто спосіб зберегти енергію на тривалий період. В організмі такі пошкодження відновлюються спеціальним ферментом, а в технічних системах енергія вивільняється за допомогою каталізаторів.

Синтезована дослідниками молекула поглинає ультрафіолетове світло в діапазоні UV-A і UV-B (приблизно 300–310 нм). Ізомер, що виникає при цьому, відрізняється високою стабільністю — його період напіврозпаду досягає 481 дня при кімнатній температурі. Це дозволяє зберігати енергію місяцями без значних втрат: накопичити її в спекотний липень і витрачати в січні.

Рідка при кімнатній температурі молекула добре розчиняється у воді, не потребує токсичних органічних розчинників і в експериментах витримала 20 циклів заряду/розряду з мінімальною деградацією. Створені до цього молекулярні теплоносії вимагали токсичних розчинників і тому втрачали щільність накопичуваної енергії, тоді як рідка природа нової молекули дозволяє використовувати її в нерозбавленому вигляді. Проте, вона розчиняється у воді, що робить її легко видалюваною, наприклад, у разі витоків у домашніх умовах.

Процес розрядки — вивільнення накопиченого тепла — запускається додаванням кислотного каталізатора. Тепло йде в теплообмінник і обігріває будинок. Але поки в цьому є недолік: додавання каталізатора розбавляє теплоносій і знижує щільність накопичення енергії. Вченим ще потрібно вирішити цю проблему, щоб каталізатор залишався відокремленим від основного обсягу.

Проте отримані в експериментах рекордні характеристики роблять розробку видатною: щільність збереженої енергії досягає 1,65 МДж/кг, що майже вдвічі перевищує показники літій-іонних акумуляторів (менше 1 МДж/кг) і значно перевершує попередні молекулярні матеріали (норборнадієн — 0,97 МДж/кг, азоборин — 0,65 МДж/кг). Це відкриває перспективи для компактного сезонного зберігання сонячного тепла, особливо для опалення будівель: рідина може циркулювати через сонячні колектори на даху, заряджатися, зберігатися в резервуарах у підвалах і за потреби пропускатися через каталізатор для передачі тепла в систему опалення або гарячого водопостачання.

Запропонований підхід позиціонується як екологічна альтернатива традиційному паливу для зимового періоду. Незважаючи на вражаючі результати, технологія має обмеження, які заважають негайному комерційному впровадженню. Молекула використовує лише близько 5 % сонячного спектра (тільки вузький діапазон УФ), не реагуючи на видиме світло та інфрачервоне випромінювання, а квантова ефективність перетворення залишається низькою (реагують лише кілька фотонів з кожних 100), що вимагає тривалого опромінення. Крім того, застосування кислотного каталізатора ускладнює систему і вимагає додаткових кроків для його нейтралізації. Автори підкреслюють необхідність подальших поліпшень — розширення спектра поглинання та спрощення механізму розрядки, — щоб зробити технологію практично застосовною в реальних умовах.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки