Jak oparzenie słoneczne zainspirowało nowy sposób magazynowania energii

Słońce świeci, czasem, w Bostonie – ale nie tak.

Kiedy profesor chemii Grace Han kilka lat temu po raz pierwszy odwiedziła południową Kalifornię z Bostonu, zauważyła różnicę. Jak jej skóra mrowiała od pierwszych oznak podrażnienia po zaledwie kilku godzinach na zewnątrz.

W zeszłym roku przeniosła się, aby objąć stanowisko na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara i regularnie zaczęła nosić kapelusz z szerokim rondem, okulary przeciwsłoneczne i dużo kremu z filtrem przeciwsłonecznym. Jako profesor chemii, już zrobiła swoje badania.

„Czytałam o fotochemii DNA – dla przyjemności” – wspomina.

Wtedy zdała sobie sprawę, że cząsteczki DNA w skórze ludzi, które ulegają uszkodzeniu przez oparzenia słoneczne, mogą jej pomóc. Te cząsteczki zmieniają kształt pod wpływem promieniowania słonecznego, wyginając się w napiętą wersję swojej zwykłej formy.

Od dziesięcioleci naukowcy poszukują cząsteczek, które mogą zmieniać swój kształt, magazynując przy tym energię, a następnie mogą być pobudzone do powrotu do pierwotnego kształtu, uwalniając zmagazynowaną energię na żądanie.

Trochę jak zastawianie, a potem uruchamianie pułapki na myszy. Jest to znane jako molekularne magazynowanie energii słonecznej (Most) i jest potencjalnie bardzo tanim i wolnym od emisji sposobem dostarczania ciepła. Te systemy Most mogłyby magazynować energię przez wiele miesięcy, a nawet lat.

Badacze mieli wcześniej ograniczone sukcesy z tą technologią, ale dzięki kalifornijskiemu słońcu Han wiedziała, co spróbować dalej.

Ważne jest, aby aktywować zmianę kształtu cząsteczek magazynujących energię w płynny, powtarzalny sposób.

Na szczęście miliony lat ewolucji udoskonaliły ten proces, gdy występuje on w naszej skórze – w pewnym sensie wszyscy jesteśmy żywymi laboratoriami chemicznymi. Cząsteczki DNA w naszej skórze ewoluowały tak, aby mogły naprawić swój zniekształcony przez słońce kształt za pomocą enzymu zwanego fotoliazą.

I takie cząsteczki, zdała sobie sprawę Han, były idealnymi kandydatami do systemu magazynowania energii. „Są bardzo, bardzo małe” – wyjaśnia. „I mogą magazynować ogromną ilość energii na masę”.

W artykule opublikowanym w lutym ona i jej współpracownicy opisali najbardziej obiecujący system magazynowania energii tego typu do tej pory, przynajmniej pod względem gęstości energii. Był wystarczająco mocny, aby spowodować, że „bardzo mały czajnik” w fiolce szybko zagotuje niewielką ilość wody, mówi Han.

Jej studenci, którzy przeprowadzili tę część badania, pospieszyli, aby powiedzieć jej, jak poszło. „Kiedy zobaczyłam wideo i zobaczyłam, jak szybko całe rozwiązanie się gotuje, to było naprawdę niezwykłe” – wspomina Han.

Podkreśla, że analizy komputerowe przewidujące, jak cząsteczka będzie działać, wykonane przez jej współpracownika Kendalla Houka z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles i jego zespół, były kluczowe dla tej pracy.

Inny eksperymentator Most, Kasper Moth-Poulsen, który kieruje zespołami badawczymi na Politechnice w Barcelonie w Hiszpanii i innych instytucjach, nie był zaangażowany w badanie, ale był pod wrażeniem wyników.

„Myślę, że nasze najlepsze systemy miały jeden megadżul [energii na kilogram]. Oni mieli, myślę, 1,6, co jest naprawdę niesamowite” – mówi, odnosząc się do gęstości energii, którą osiągnęli Han i jej współpracownicy.

1,65 megadżula na kilogram zarejestrowane w ich lutowym artykule jest znacznie większe niż gęstość energii baterii litowo-jonowych, obecnie najpopularniejszego typu baterii do telefonów i samochodów elektrycznych.

System Most, który wymyślili Han i jej współpracownicy, ma pewne ograniczenia. Po pierwsze, długość fali światła, która powoduje zmianę kształtu cząsteczek w centrum układu, wynosi 300 nanometrów – forma „bardzo silnego światła UV [ultrafioletowego]”, mówi John Griffin z Uniwersytetu Lancaster. „To światło dociera do nas ze słońca, ale tylko w bardzo małych ilościach”.

Ponadto, wyzwalaczem używanym do odwrócenia kształtu zniekształconej cząsteczki w celu uwolnienia jej energii był kwas solny – silnie korozyjna substancja, która musi być zneutralizowana po użyciu. „Nie jest to najbardziej idealny wybór” – przyznaje Han.

Mówi, że ma nadzieję, że uda się poprawić reakcję systemu na naturalne światło, a także wyzwolić uwolnienie energii bez konieczności stosowania toksycznego chemikaliów.

Ostatecznym celem takich prac jest dekarbonizacja ogrzewania, co jest notorycznie trudne.

Świat nadal w dużej mierze opiera się na paliwach kopalnych do celów grzewczych. Molekularne systemy energii słonecznej i paliwa kopalne są w rzeczywistości dwiema formami magazynowania energii chemicznej. Ale technologia Most „działa bez spalania czegokolwiek” – podkreśla Moth-Poulsen.

Ponadto, Most mógłby być dostępny w dowolnym miejscu na Ziemi, w przeciwieństwie do paliw kopalnych, które są skoncentrowane w niektórych lokalizacjach. Dlatego blokada Cieśniny Ormuz spowodowała ostatnio takie problemy, zauważa. Paliwa produkowane w tej części świata nie mogą dotrzeć tam, gdzie ludzie ich potrzebują.

Moth-Poulsen mówi, że system magazynowania energii Most mógłby również magazynować energię długoterminowo, nawet przez wiele dziesięcioleci. Energia cieplna magazynowana jako ciepło może trwać co najwyżej kilka godzin, dni lub miesięcy.

Jest jednak coś jeszcze do rozważenia, mówi Harry Hoster z Uniwersytetu w Duisburgu-Essen, który jest również dyrektorem naukowym ZBT Center for Fuel Cell Technology w Niemczech, skoncentrowanego na wodorze.

Czułe na światło cząsteczki w systemie Most muszą być stosunkowo cienko rozłożone. Zbyt grube i światło nie będzie w stanie wystarczająco przeniknąć do wszystkich cząsteczek wewnątrz. „W naprawdę optymistycznym scenariuszu można by to zrobić na grubość 5 mm” – szacuje Hoster.

A pakowanie cząsteczek w cieczy oznacza, że prawdopodobnie trzeba będzie przemieścić lub przepompować tę ciecz z jednej części systemu do drugiej, na przykład w celu magazynowania energii lub jej odprowadzenia. To zwiększa koszty i złożoność. „W momencie, gdy trzeba coś pompować, jest więcej rzeczy, które mogą się zepsuć” – mówi Hoster.

Griffin mówi, że on i jego współpracownicy pracują nad wersjami technologii Most w stanie stałym. Han, która również bada stałe wersje Most, mówi, że mogłyby one przybrać formę przezroczystych powłok okiennych, na przykład. W ten sposób mogłyby uwalniać ciepło, aby zapobiec kondensacji lub nawet ogrzać pomieszczenia.

Hoster jest jednak sceptyczny, czy Most będzie w stanie zapewnić całe ciepło potrzebne w budynku. Mogłoby jednak ogrzewać wrażliwe na temperaturę komponenty na satelitach lub samolotach.

„To świetna nauka” – dodaje. „Piękne jest to, że udało im się uzyskać tę funkcjonalność”.

Innowacje i badania prawdopodobnie będą kontynuowane, chociaż warto zauważyć, że ta dziedzina pozostaje obecnie stosunkowo niszowa. Griffin wspomina, że w zeszłym roku uczestniczył w konferencji na temat technologii Most z około 70 uczestnikami. „To była w zasadzie cała społeczność na świecie zajmująca się tym tematem”.