Vedci postavili zariadenie bez batérie, ktoré mení slnečné svetlo na palivo. Kľúčom je elektrolyzér, ktorý si výkon riadi sám
Vedci ukázali systém umelej fotosyntézy, ktorý bez batériovej regulácie premieňa slnečnú energiu, vodu a CO₂ na kyselinu mravčiu ako tekuté solárne palivo.
Vedci z Osaka Metropolitan University neprišli len s ďalším zariadením na výrobu solárneho paliva. Ukázali niečo dôležitejšie. Do samotného elektrolyzéra zabudovali chemický spôsob riadenia výkonu, ktorý v podobných systémoch bežne zabezpečuje elektronika a batérie. Tento elektrolyzér slúži na takzvanú umelú fotosyntézu, teda proces, ktorý napodobňuje prírodu a premieňa slnečné svetlo na palivo.
Práve to je hlavná pointa výskumu. Bežná solárna energia má problém v tom, že výkon panelov počas dňa neustále kolíše. Ráno je slabší, cez obed rastie, oblak ho môže náhle zraziť a večer opäť padá. Ak má solárny panel poháňať chemickú výrobu paliva, systém sa týmto výkyvom musí prispôsobovať. Japonský tím však ukázal elektrolyzér, ktorý to dokáže robiť sám, bez klasického elektronického MPPT systému.
Objavili spôsob, ako nechať elektrolyzér riadiť výkon bez batérie
V podobných zariadeniach sa bežne používa technológia Maximum Power Point Tracking, skrátene MPPT. Tá sleduje, pri akom napätí a prúde dáva solárny panel najviac využiteľnej energie. Je to užitočné, ale prináša to ďalšiu elektroniku, meniče a často aj batériu, ktorá vyrovnáva tok energie.
Autori štúdie upozorňujú na jednoduchý paradox. Cieľom umelej fotosyntézy je ukladať slnečnú energiu do paliva, teda do chemickej látky. Ak však na to potrebuješ ešte aj batériu, máš v jednom systéme dva rôzne spôsoby ukladania energie. Vedci sa preto pokúsili batériovú medzistanicu obísť a časť regulácie presunúť priamo do elektrolyzéra.
Kľúčom je pevný elektrolyt, teda materiál vo vnútri zariadenia, ktorý umožňuje prenos elektrického náboja. Jeho iónový odpor klesá so zvyšujúcou sa teplotou. Laicky povedané, keď na systém svieti viac slnka, elektrolyzér sa zohrieva. Keď sa zohreje, elektrina ním prechádza ľahšie. Zariadenie sa tak prirodzene prispôsobuje tomu, koľko energie práve prichádza zo solárneho panelu.
Neprehliadni
Profesor Yutaka Amao tento princíp opisuje jednoducho. Pri silnejšom slnečnom žiarení sa elektrolyzér zahreje, jeho elektrický odpor klesne a prúd cez systém začne tiecť voľnejšie. Nie je to teda len pasívna nádoba, do ktorej pustíš elektrinu. Materiál vo vnútri elektrolyzéra sa podieľa na riadení celého procesu.
Z vody a CO₂ vyrábali kyselinu mravčiu so stabilnou koncentráciou
Výsledkom nebola len krátka laboratórna ukážka. Vedci systém napojili na komerčne dostupný monokryštalický solárny panel a nechali ho pracovať počas dennej prevádzky. Zariadenie vyrábalo kyselinu mravčiu z čistej vody a oxidu uhličitého. Dôležité je, že aj pri meniacej sa intenzite slnka sa koncentrácia roztoku držala približne na úrovni 3 hmotnostných percent.
To je podstatné, pretože kolísajúce slnko by inak mohlo znamenať aj kolísajúcu kvalitu výsledného produktu. Tu však systém dokázal reagovať na zmeny výkonu prirodzene, cez vlastné tepelné a elektrické vlastnosti. Počas jedného dňa prevádzky vyrobil približne 0,1 kilogramu kyseliny mravčej a dokázal využiť až 85 percent dostupnej energie z fotovoltického panelu.
Externá účinnosť premeny slnečnej energie na kyselinu mravčiu dosiahla 2 percentá. To na prvý pohľad neznie ohromujúco, no pri tomto výskume nejde o rekordnú účinnosť. Oveľa dôležitejšie je, že systém ukázal nový spôsob riadenia bez klasického elektronického MPPT. Vedci tak neukázali hotové zariadenie pre domácnosti, ale mechanizmus, ktorý môže zjednodušiť budúce systémy umelej fotosyntézy.
Kyselina mravčia môže fungovať ako tekutá forma uloženej solárnej energie
Kyselina mravčia je v tomto prípade zaujímavá preto, že v sebe nesie energiu v chemických väzbách. Nie je to elektrina, ktorú musíš spotrebovať hneď, ani batéria, ktorá časom degraduje. Ide o kvapalnú látku, ktorú možno skladovať a neskôr využiť napríklad na výrobu elektriny alebo ako chemickú surovinu.
Práve preto sa o nej hovorí ako o možnom nosiči solárnej energie. Namiesto toho, aby si slnečnú energiu ukladal iba do batérií, môžeš ju v princípe uložiť do molekúl. Japonský výskum je zaujímavý tým, že ukazuje, ako by sa takáto výroba mohla raz zaobísť bez časti drahej regulačnej elektroniky.
Na výstave poháňali len malý model, no samotný princíp je dôležitejší
Technológiu vedci predstavili aj v spoločnom pavilóne Iida Group × Osaka Metropolitan University na Expo 2025 v Osake. Nešlo o veľkú energetickú jednotku, ktorá by napájala domácnosť. Išlo o malú ukážku, pri ktorej systém vyrobil dostatok kyseliny mravčej na napájanie miniatúrnej diorámy.
Samotná dioráma však nie je dôvodom, prečo je výskum zaujímavý. Je len ukážkou, že systém dokáže premeniť slnečnú energiu na chemickú látku a tú následne použiť ako nosič energie. Skutočný objav spočíva v tom, že elektrolyzér dokáže časť regulácie výkonu robiť sám, cez svoje vlastné tepelné a elektrické správanie.
Najväčší prísľub nie je výkon, ale jednoduchšia konštrukcia
Na tomto výskume preto netreba vidieť zázračné palivo, ktoré zajtra nahradí batérie. To by bolo prehnané. Účinnosť 2 percentá ukazuje, že technológia má pred sebou ešte veľa práce. Dôležitý je však smer, ktorý vedci naznačili. Ak sa dá regulácia výkonu presunúť z drahej elektroniky priamo do elektrolyzéra, umelá fotosyntéza môže byť jednoduchšia, lacnejšia a menej závislá od batérií.
Príroda pri fotosyntéze nepotrebuje riadiacu jednotku ani batériový medzičlánok. Rastlina premieňa svetlo, vodu a CO₂ na chemicky uloženú energiu priamo. Japonský systém sa k tomu nepribližuje efektivitou, ale filozofiou. Namiesto toho, aby sa solárna energia najprv ukladala do batérie, smeruje rovno do molekúl kyseliny mravčej.
Ak sa tento princíp podarí zlepšiť a zväčšiť, solárna energia by sa v budúcnosti nemusela ukladať len do akumulátorov. Časť z nej by mohla skončiť v kvapalnom palive vyrobenom z vody a oxidu uhličitého. A to je oveľa zaujímavejšia správa než samotná miniatúrna dioráma na výstave.
