Δεδομένου ότι τα ηλιακά πάνελ χάνουν την ικανότητά τους να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια μετά τη δύση του ηλίου, παραμένει μια σημαντική πρόκληση για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας: πώς να αποθηκεύεται η ηλιακή ενέργεια για μελλοντική χρήση, είτε σε συννεφιασμένο καιρό είτε κατά τη διάρκεια της νύχτας.
Ερευνητές στο UC Santa Barbara πιστεύουν ότι βρήκαν μια απάντηση που αποφεύγει την ανάγκη για τεράστια συστήματα μπαταριών ή την εξάρτηση από το ηλεκτρικό δίκτυο. Γράφοντας στο περιοδικό Science, η αναπληρώτρια καθηγήτρια Grace Hahn και η ερευνητική της ομάδα περιγράφουν ένα νέο υλικό ικανό να απορροφά το ηλιακό φως, να αποθηκεύει αυτή την ενέργεια σε χημικούς δεσμούς και αργότερα να την απελευθερώνει ως θερμότητα όποτε χρειάζεται. Το υλικό βασίζεται σε ένα τροποποιημένο οργανικό μόριο που ονομάζεται πυριμιδόνη και αντιπροσωπεύει ένα νέο βήμα στην τεχνολογία μοριακής ηλιακής θερμικής αποθήκευσης ενέργειας (MOST).
«Η ιδέα είναι επαναχρησιμοποιήσιμη και ανακυκλώσιμη», δήλωσε ο Han Nguyen, διδακτορικός φοιτητής στην ομάδα του Han και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.
“Σκεφτείτε τα φωτοχρωμικά γυαλιά ηλίου. Όταν είστε μέσα, είναι απλώς καθαροί φακοί. Περνάτε στον ήλιο και σκοτεινιάζουν μόνοι τους. Επιστρέψτε μέσα και οι φακοί είναι και πάλι καθαροί”, συνέχισε ο Nguyen. “Αυτό το είδος της αναστρέψιμης αλλαγής μας ενδιαφέρει. Αντί να αλλάξουμε απλώς το χρώμα, θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε την ίδια ιδέα για να αποθηκεύσουμε ενέργεια, να την απελευθερώσουμε όταν τη χρειαστούμε και στη συνέχεια να επαναχρησιμοποιήσουμε το υλικό ξανά και ξανά.”
Αποθήκευση ηλιακής ενέργειας εμπνευσμένη από το DNA
Όταν σχεδίαζαν το μόριο, οι επιστήμονες εμπνεύστηκαν από μια απροσδόκητη πηγή: το DNA. Η δομή της πυριμιδόνης είναι παρόμοια με ένα φυσικό στοιχείο στο DNA που μπορεί να αλλάξει σχήμα όταν εκτίθεται στο υπεριώδες φως.
Χρησιμοποιώντας μια συνθετική έκδοση αυτής της δομής, η ομάδα δημιούργησε ένα μόριο ικανό να αποθηκεύει και να απελευθερώνει επανειλημμένα ενέργεια. Για να κατανοήσουν καλύτερα γιατί το μόριο ήταν σταθερό ενώ διατηρούσε ενέργεια για μεγάλα χρονικά διαστήματα, οι ερευνητές συνεργάστηκαν με τον διακεκριμένο ερευνητικό καθηγητή του UCLA, Ken Houk. Η υπολογιστική μοντελοποίηση βοήθησε να εξηγηθεί πώς το υλικό μπορεί να διατηρήσει την αποθηκευμένη ενέργεια για χρόνια χωρίς σημαντικές ζημιές.
«Δώσαμε προτεραιότητα σε έναν ελαφρύ, συμπαγή μοριακό σχεδιασμό», είπε ο Nguyen. “Για αυτό το έργο, κόψαμε όλα όσα δεν χρειαζόμασταν. Οτιδήποτε περιττό, αφαιρέσαμε για να κάνουμε το μόριο όσο το δυνατόν πιο συμπαγές.”
Μια επαναχρησιμοποιήσιμη “μπαταρία ήλιου”
Σε αντίθεση με τα τυπικά ηλιακά πάνελ που μετατρέπουν απευθείας το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια, αυτό το σύστημα αποθηκεύει ενέργεια χημικά. Το μόριο συμπεριφέρεται κάπως σαν ένα συμπιεσμένο ελατήριο. Μετά την απορρόφηση του ηλιακού φωτός, μετατρέπεται σε μια κατασταλμένη, υψηλής ενέργειας μορφή και παραμένει σε αυτή την κατάσταση μέχρι να ενεργοποιηθεί.
Όταν εκτίθεται σε μια σκανδάλη – όπως μια μικρή ποσότητα θερμότητας ή ένας καταλύτης – το μόριο επιστρέφει στο αρχικό του σχήμα, απελευθερώνοντας την αποθηκευμένη ενέργεια ως θερμότητα.
«Συνήθως το περιγράφουμε ως επαναφορτιζόμενη ηλιακή μπαταρία», είπε ο Nguyen. «Αποθηκεύει το φως του ήλιου και είναι επαναφορτιζόμενο».
Τα μόρια παρέχουν εντυπωσιακή ενεργειακή πυκνότητα. Σύμφωνα με τους ερευνητές, αποθηκεύει περισσότερα από 1,6 megajoules ενέργειας ανά κιλό. Συγκριτικά, μια συμβατική μπαταρία ιόντων λιθίου αποθηκεύει περίπου 0,9 MJ/kg. Το νέο υλικό ξεπερνά επίσης τις προηγούμενες γενιές οπτικών διακοπτών αποθήκευσης ενέργειας.
Το νέο υλικό μπορεί να βράσει νερό χρησιμοποιώντας το αποθηκευμένο ηλιακό φως
Ένα βασικό ορόσημο για την ομάδα ήταν η μετατροπή της υψηλής ικανότητας αποθήκευσης ενέργειας του μορίου σε μια πρακτική επίδειξη. Σε πειράματα, οι ερευνητές έχουν δείξει ότι το υλικό μπορεί να απελευθερώσει αρκετή θερμότητα για να βράσει το νερό σε συνθήκες περιβάλλοντος, κάτι που είναι δύσκολο να επιτευχθεί σε αυτόν τον τομέα της έρευνας.
«Το βράσιμο του νερού είναι μια ενεργοβόρα διαδικασία», είπε ο Nguyen. «Το ότι μπορούμε να βράσουμε νερό υπό συνθήκες περιβάλλοντος είναι ένα σημαντικό επίτευγμα».
Η τεχνολογία θα μπορούσε τελικά να υποστηρίξει μια ποικιλία πραγματικών χρήσεων, συμπεριλαμβανομένων των συστημάτων θέρμανσης εκτός δικτύου για εφαρμογές θέρμανσης νερού στο κάμπινγκ ή στο σπίτι. Επειδή το υλικό διαλύεται στο νερό, οι ερευνητές λένε ότι μπορεί να κυκλοφορήσει μέσω ηλιακών συλλεκτών ταράτσας κατά τη διάρκεια της ημέρας πριν αποθηκευτεί σε δεξαμενές που απελευθερώνουν θερμότητα τη νύχτα.
«Με τα ηλιακά πάνελ, χρειάζεστε ένα πρόσθετο σύστημα μπαταρίας για την αποθήκευση ενέργειας», δήλωσε ο συν-συγγραφέας Benjamin Baker, διδακτορικός φοιτητής στο εργαστήριο Hahn. «Με την αποθήκευση μοριακής ηλιακής θερμικής ενέργειας, το ίδιο το υλικό είναι σε θέση να αποθηκεύσει αυτή την ενέργεια από το ηλιακό φως».
Το έργο έλαβε υποστήριξη από την Moore Inventor Fellowship που απονεμήθηκε στον Hahn το 2025 για την ανάπτυξη αυτής της «επαναφορτιζόμενης ηλιακής μπαταρίας».
