Ako molekulárne solárne batérie ukladajú slnečné svetlo ako teplo
Molekulárne solárne termálne (MOST) systémy zachytávajú slnečné svetlo v chemických väzbách a uvoľňujú ho na požiadanie ako teplo – ide o dobíjateľný prístup k ukladaniu energie bez emisií, ktorý by mohol dopĺňať konvenčné batérie.
Uzamknutie slnečného svetla do molekuly
Čo ak by ste mohli zachytiť slnečné svetlo do kvapaliny, skladovať ho mesiace alebo dokonca roky a uvoľňovať ho ako teplo, kedykoľvek by ste ho potrebovali – bez lítia, vzácnych kovov a odpadu? To je prísľub molekulárneho solárneho termálneho (MOST) ukladania energie, technológie, ktorá premieňa špeciálne navrhnuté molekuly na dobíjateľné palivo poháňané výlučne slnkom.
Na rozdiel od fotovoltaických panelov, ktoré premieňajú svetlo priamo na elektrinu, systémy MOST ukladajú slnečnú energiu v chemických väzbách. Koncept siaha desaťročia dozadu, ale nedávne prelomové objavy posunuli hustotu energie nad úroveň lítium-iónových batérií, čím obnovili záujem o to, čo bolo kedysi laboratórnou kuriozitou.
Ako fungujú systémy MOST
Srdcom každého systému MOST je molekulárny foto-prepínač – zlúčenina, ktorá mení tvar, keď na ňu dopadne slnečné svetlo. Proces prebieha v troch krokoch:
- Zachytávanie. Fotóny dopadajú na materskú molekulu, excitujú ju a spúšťajú štrukturálne preusporiadanie nazývané fotoizomerizácia. Molekula sa skrúti do napätého, vysokoenergetického tvaru známeho ako metastabilný izomér.
- Ukladanie. Pretože je napätý izomér metastabilný, zostáva uzamknutý vo svojom vysokoenergetickom stave po dlhšiu dobu – od hodín po roky, v závislosti od molekulárneho dizajnu – bez úniku energie.
- Uvoľňovanie. Malý spúšťač – teplo, katalyzátor alebo špecifická vlnová dĺžka svetla – vráti molekulu späť do jej uvoľneného tvaru. Uložená energia sa uvoľňuje ako teplo na požiadanie.
Zásadné je, že sa nespotrebúvajú žiadne činidlá a nevznikajú žiadne vedľajšie produkty. Molekula sa dá dobiť svetlom a opätovne použiť, pričom funguje ako uzavretý, bezemisný palivový cyklus.
Molekuly za mágiou
Výskumníci preskúmali niekoľko rodín foto-prepínačov. Najštudovanejšia je dvojica norbornadién–kvadricyklán (NBD–QC). Keď norbornadién absorbuje UV alebo viditeľné svetlo, premení sa na kvadricyklán, pričom uloží až 0,48 MJ na kilogram. Systém je robustný a dobre pochopený, ale čelí kompromisom: vylepšenie molekuly tak, aby absorbovala väčšiu časť slnečného spektra, často skracuje dobu skladovania alebo znižuje hustotu energie.
Významný prelom prišiel z UC Santa Barbara, kde tím docentky Grace Han skonštruoval pyrimidónový foto-prepínač – štruktúru inšpirovanú zložkou DNA. Práca publikovaná v časopise Science dosiahla rekordnú hustotu energie 1,65 MJ na kilogram, čo je zhruba dvojnásobok oproti štandardnej lítium-iónovej batérii. Pyrimidón je rozpustný vo vode, ukladá energiu až tri roky a pri spustení kyslým katalyzátorom uvoľní dostatok tepla na prevarenie vody za pol sekundy.
Prečo je to dôležité pre energetickú transformáciu
Konvenčné batérie vynikajú v ukladaní elektriny, ale časom sa degradujú, spoliehajú sa na ťažené kovy a predstavujú problémy s recykláciou. Systémy MOST obchádzajú mnohé z týchto problémov:
- Dlhodobé skladovanie. Energia uzamknutá v chemických väzbách sa nevybíja sama od seba tak, ako to robia batérie, vďaka čomu je MOST atraktívny pre sezónne alebo dlhodobé skladovanie.
- Bohaté materiály. Molekuly sú organické zlúčeniny vytvorené z uhlíka, dusíka a kyslíka – prvkov, ktoré sú lacné a hojné.
- Žiadne emisie. Cyklus nabíjania a vybíjania neprodukuje žiadne skleníkové plyny ani nebezpečný odpad.
Potenciálne aplikácie siahajú od vykurovania budov a odstraňovania námrazy z ciest až po poskytovanie prenosnej tepelnej energie v prostrediach mimo siete.
Výzvy do budúcnosti
Napriek prísľubu je technológia MOST stále v experimentálnej fáze. Medzi kľúčové prekážky patrí rozšírenie výroby, zlepšenie účinnosti absorpcie širokého slnečného spektra molekulami a zabezpečenie toho, aby materiály prežili tisíce cyklov nabíjania a vybíjania bez degradácie. Extrakcia a prenos uloženého tepla pri užitočných teplotách zostáva tiež inžinierskou výzvou.
Výskumníci v celej Európe, Spojených štátoch a Ázii pracujú na týchto problémoch, podporovaní programami, ako je projekt EÚ Horizon 2020 MOST. Ak uspejú, molekulárne solárne batérie by mohli ponúknuť čistý, recyklovateľný doplnok k lítium-iónovým článkom – spôsob, ako uzamknúť slnko a otvoriť ho, kedykoľvek svet potrebuje teplo.
