Slnko vo fľaši: DNA inšpirovala organickú molekulu, ktorá dokáže uchovať energiu celé roky
Solárna energia je sľubnou alternatívou k fosílnym palivám, no najlepšie funguje len počas jasného dňa. Nová štúdia našla spôsob, ako solárnu energiu uložiť až na celé mesiace.
Problém so solárnou energiou je známy, keď zapadá slnko, panely prestanú vyrábať elektrinu a udržať energiu zo slnka na neskôr je stále veľká výzva. Vedci z UC Santa Barbara prišli s riešením, ktoré nepotrebuje veľké batérie ani napojenie na elektrickú sieť.
Ich tajomstvo spočíva v novej molekule, upravenom organickom spojení nazvanom pyrimidón. Funguje v rámci konceptu Molecular Solar Thermal (MOST), teda molekulárneho uchovávania slnečnej energie. Slnko molekulu „nabije“ a energia sa ukladá v chemických väzbách, aby ju bolo možné uvoľniť vo forme tepla, keď ju potrebuješ.
„Celý koncept je opakovateľný a recyklovateľný,“ vysvetľuje doktorandka Grace Han Nguyen, hlavná autorka štúdie: „Predstav si fotochromatické okuliare. Na slnku stmavnú, a keď sa vrátiš dovnútra, vrátia sa do pôvodnej podoby. My využívame rovnaký princíp, len namiesto farby uchovávame energiu a uvoľníme ju, keď ju potrebujeme.“
Bio-inšpirovaný dizajn
Pri tvorbe molekuly sa vedci inšpirovali DNA. Pyrimidón pripomína časť DNA, ktorá pri UV žiarení dokáže meniť svoj tvar spätným spôsobom. Vytvorili syntetickú verziu, ktorá energiu uchováva a uvoľňuje opakovane, pričom zostáva stabilná celé roky. Pomocou výpočtového modelovania, ktoré zabezpečil profesor Ken Houk z UCLA, pochopili, prečo molekula dokáže energiu držať bez strát.
„Zamerali sme sa na čo najľahší a najkompaktnejší dizajn. Všetko, čo bolo zbytočné, sme odstránili,“ dodáva Nguyen.
Tradičné panely premieňajú svetlo na elektrinu. Pyrimidón funguje ako mechanická pružina, pri slnečnom žiarení sa skrúti do napätej podoby a čaká, kým mu dáš signál uvoľniť energiu vo forme tepla. Nguyen to prirovnáva k „dobíjateľnej solárnej batérii“. Táto batéria ukladá svetlo a možno ju opakovane nabíjať. Energetická hustota pritom presahuje 1,6 megajoulu na kilogram, čo je dvojnásobok klasických lítium-iónových batérií. Vedci dokonca dokázali u molekuly uvariť vodu pri bežnej teplote, čo predtým bolo náročné.
Sezónne uskladnenie a ekologický bonus
Najväčšou výhodou pyrimidónu je, že sa energia takmer nestráca. Dokáže uchovať teplo celé mesiace, čo znamená, že slnko z júla sa dá využiť v decembrovej noci. Energia je tak „zakonzervovaná“ aj na niekoľko rokov. Navyše, molekula sa skladá z bežne dostupných prvkov, uhlíka, vodíka a dusíka. Tým odpadá závislosť od lítia, kobaltu alebo mangánu, čo znižuje ekologickú a etickú záťaž spojenú s ťažbou.
Neprehliadni
Prototyp zatiaľ reaguje najmä na UV žiarenie, ktoré tvorí len malú časť slnečného svetla. Tím Grace Han momentálne pracuje na „red-shiftingu“, teda úprave molekuly tak, aby dokázala pohlcovať aj viditeľné svetlo.
„Ak sa nám to podarí, efektivita systému sa môže zvýšiť desaťnásobne a MOST technológia sa stane vážnym konkurentom klasických solárnych panelov,“ uzatvára Nguyen.
V praxi by takáto kvapalná „solárna batéria“ mohla zásobovať teplom od ohrevu vody pri kempovaní po bežné domáce vykurovanie, pričom celá technológia zostáva kompaktná a recyklovateľná.
Črtá sa aj zaujímavá alternatíva
Vedci pritom nepozerajú len na povrch Zeme. Objavujú sa aj ambiciózne koncepty solárnej energie z vesmíru, kde by panely neboli obmedzené dňom či počasím. Takéto solárne družice by zbierali slnečné žiarenie priamo nad atmosférou a energiu by mohli prenášať na Zem prostredníctvom mikrovlnných lúčov alebo laserových systémov, čím by vznikol prakticky nepretržitý zdroj elektriny.
Problémom zostáva konštrukcia a bezpečné doručenie energie na Zem, ale výskum postupuje. Ak sa tieto systémy osvedčia, mohli by dopĺňať pozemné panely aj molekulárne batérie, ako pyrimidón, a výrazne znížiť závislosť na fosílnych palivách. Tým by solárna energia získala nový rozmer. Dostupná by bola nielen cez deň a v slnečnom počasí, ale takmer neustále.
