Опалення становить майже половину світового попиту на енергію, і дві третини цього попиту задовольняються шляхом спалювання викопного палива, такого як природний газ, нафта та вугілля. Сонячна енергія є можливою альтернативою, але хоча ми досить добре навчилися зберігати сонячну електроенергію в літій-іонних батареях, ми далеко не так хороші в зберіганні тепла.
Для зберігання тепла протягом днів, тижнів або місяців необхідно утримувати енергію у зв'язках молекули, яка згодом зможе вивільняти тепло на вимогу. Підхід до цієї конкретної хімічної проблеми називається молекулярним сонячним тепловим (MOST) збереженням енергії. Хоча протягом десятиліть це вважалося перспективним напрямом, воно так і не набуло широкого поширення.
У нещодавній статті в журналі Science група дослідників із Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі та Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі демонструє прорив, який, нарешті, може зробити MOST зберігання енергії ефективним.
Зв'язок із ДНК
У минулому рішення MOST для зберігання енергії страждали від низької ефективності. Молекули або не накопичували достатньо енергії, або надто швидко деградували, або вимагали токсичних розчинників, що робило їх непрактичними. Щоб знайти вихід із цих проблем, команда під керівництвом Хана П. Нгуєна, хіміка з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі, надихнулася генетичними ушкодженнями, викликаними сонячними опіками. Ідея полягала в тому, щоб накопичувати енергію за допомогою реакції, аналогічної до тієї, яка дозволяє ультрафіолетовому світлу пошкоджувати ДНК.
Коли ви занадто довго перебуваєте на пляжі, високоенергетичне ультрафіолетове світло може викликати з'єднання сусідніх основ у ДНК (тимін, буква Т у генетичному коді). Це утворює структуру, відому як пошкодження (6-4). Коли це пошкодження піддається впливу ще більшої кількості ультрафіолетового світла, воно скручується у ще більш дивну форму, звану ізомером «Дьюара». У біології це досить погана новина, оскільки ізомери Дьюара викликають вигини у подвійній спіралі ДНК, які порушують копіювання ДНК та можуть призвести до мутацій чи раку.
Щоб протидіяти цьому ефекту, еволюція створила специфічний фермент, який називається фотоліазою, який знаходить пошкодження (6-4) і повертає їх у безпечні, стабільні форми.
Дослідники зрозуміли, що ізомер Дьюара насправді є молекулярною батареєю. Цей ефект зворотного ходу був саме тим, що шукала команда Нгуєна, оскільки він виділяє багато тепла.
Паливо, що перезаряджається
Молекулярні батареї, в принципі, дуже добре зберігають енергію. Мазут, мабуть, найпопулярніша молекулярна батарея, яку ми використовуємо для опалення, по суті, є стародавньою сонячною енергією, що зберігається в хімічних зв'язках. Його густина енергії становить близько 40 мегаджоулів на кілограм. Для порівняння, літій-іонні батареї зазвичай містять менше одного МДж/кг. Однак одна з проблем із мазутом полягає в тому, що він одноразовий – він згоряє під час використання. Нгуен та його колеги прагнули створити за допомогою своєї речовини, натхненої ДНК, по суті, багаторазове паливо.
Для цього дослідники синтезували похідне 2-піримідину, хімічного родича тиміну, що міститься в ДНК. Вони модифікували цю молекулу таким чином, щоб вона надійно згорталася в ізомер Дьюара під впливом сонячного світла, а потім розгорталася по команді. В результаті вийшло паливо, що перезаряджається, яке може поглинати енергію при впливі сонячного світла, вивільняти її при необхідності й повертатися в «розслаблений» стан, де воно готове до повторної зарядки. Попередні спроби створення MOST-систем важко могли конкурувати з літій-іонними батареями. Норборнадієн, один із найбільш вивчених кандидатів, досягає показника близько 0,97 МДж/кг. Інший претендент, азаборінін, показує лише 0,65 МДж/кг. Вони можуть бути науково цікавими, але вони не зможуть обігріти ваш будинок.
Система на основі піримідину, розроблена Нгуєном, перевершила ці показники. Дослідники досягли щільності накопичення енергії 1,65 МДж/кг — майже вдвічі більше, ніж у літій-іонних батарей, і значно вищою, ніж будь-який попередній MOST-матеріал.
Подвійні кільця
Причиною такого стрибка у продуктивності стало те, що команда назвала складною напругою.
Коли молекула піримідину поглинає світло, вона не просто складається; вона скручується в злиту біциклічну структуру, що містить два різні чотиричленні кільця: 1,2-дигідроазет і діазетидин. Чотиричленні кільця знаходяться під величезною структурною напругою. Поєднавши їх разом, дослідники створили молекулу, яка відчайдушно прагне повернутися до свого розслабленого стану.
Досягнення високої щільності енергії на папері це одне, а реалізація в реальному світі зовсім інше. Основний недолік попередніх систем MOST полягав у тому, що вони були твердими речовинами, які необхідно розчиняти в розчинниках, таких як толуол або ацетонітрил. Розчинники — вороги щільності енергії: наприклад, розбавивши паливо до 10% концентрації, ви фактично знизите щільність енергії на 90 відсотків. Будь-який розчинник означає меншу кількість палива.
Команда Нгуєна розв'язала цю проблему, розробивши версію своєї молекули, яка є рідиною за кімнатної температури, тому їй не потрібен розчинник. Це значно спростило роботу, оскільки рідке паливо можна було прокачувати через сонячний колектор для заряджання та зберігання в резервуарі.
На відміну від багатьох органічних молекул, які погано переносять воду, система Нгуєна сумісна з водним середовищем. Це означає, що якщо труба протікає, ви не розбризкуватимете токсичні рідини, такі як толуол, по всьому будинку. Дослідники навіть продемонстрували, що молекула може працювати у воді й що енергія, що виділяється нею, досить інтенсивна, щоб її закип'ятити.
Як йдеться в статті, система опалення на основі MOST циркулюватиме це паливо, що перезаряджається, через панелі на даху, вловлюючи сонячне світло, а потім зберігати його в підвальному резервуарі. Паливо з цього резервуара потім перекачуватиметься в реакційну камеру з кислотним каталізатором, який запускає виділення енергії. Потім, через теплообмінник, ця енергія нагріватиме воду в стандартній системі центрального опалення.
Але є один нюанс.
Пошук витоку
Перша перешкода - спектр світла, що передає енергію паливу Нгуєна. Сонце випромінює широкий спектр світла, від інфрачервоного до ультрафіолетового. В ідеалі сонячний колектор повинен використовувати якнайбільше цього світла, але молекули піримідину поглинають світло тільки в діапазоні УФ-А та УФ-В, приблизно 300-310 нм. Це становить близько п'яти відсотків від усього сонячного діапазону. Переважна частина сонячної енергії, видиме світло та інфрачервоне випромінювання проходить прямо через молекули Нгуєна, не заряджаючи їх.
Друга проблема – квантовий вихід. Це складний спосіб запитати: "Скільки з кожних 100 фотонів, що потрапляють на молекулу, фактично переводять її в ізомерний стан Дьюара?" Для цих піримідинів відповідь досить невтішна, в межах однозначних чисел. Низький квантовий вихід означає, що рідина потребує більш тривалого впливу сонячного світла для повного заряду.
Дослідники припускають, що молекула має швидкий витік, тобто нерадіаційний шлях розпаду, при якому збуджена молекула негайно віддає енергію у вигляді тепла замість того, щоб скручуватися у форму зберігання. Усунення цього витоку – наступне велике завдання для команди.
Нарешті, у своїх експериментах команда використовувала кислотний каталізатор, який було додано безпосередньо до матеріалу зберігання. Команда визнає, що в майбутньому пристрої із замкнутим контуром це вимагатиме етапу нейтралізації - реакції, яка усуває кислотність після виділення тепла. Якщо продукти реакції не вдасться очистити, це зменшить щільність енергії системи.
Проте, попри проблеми з ефективністю, стабільність системи Нгуєна виглядає перспективною.
Зберігання MOST?
Одна з найбільших небезпек при хімічному зберіганні – це термічна реверсія: паливо мимоволі розряджається, бо воно трохи перегрілося у резервуарі для зберігання. Але ізомери Дьюара піримідинів неймовірно стабільні. Дослідники розрахували період напіврозпаду до 481 дня за кімнатної температури для деяких похідних. Це означає, що паливо можна заряджати в спекотний липень, і воно залишиться повністю зарядженим, коли вам знадобиться опалювати будинок у січні. Показники деградації виглядають непогано для системи зберігання енергії MOST. Команда провела 20 циклів зарядки-розрядки системи із незначним зниженням заряду.
Проблема відокремлення кислоти від палива може бути вирішена в практичній системі шляхом переходу на інший каталізатор. Вчені припускають у статті, що в цій гіпотетичній конфігурації паливо протікатиме через функціоналізовану кислотою тверду поверхню для виділення тепла, що усуне необхідність подальшої нейтралізації.
З усім тим, ми ще досить далекі від використання систем MOST для опалення реальних будинків. Для цього нам знадобляться молекули, які поглинають набагато більшу частину світлового спектра та переходять в активований стан із більшою ефективністю. Ми поки що не досягли цього.
