ذخیره‌سازی انرژی نور خورشید در یک مولکول!

پیشرفت در ذخیره‌سازی انرژی، نور خورشید را در یک مولکول به دام می‌اندازد و برای اولین بار شاهدیم که ذخیره انرژی نه در باتری‌ها بلکه در مولکول‌ها انجام می‌شود.

فراتر از بازدهی نسبتاً پایین پنل‌های خورشیدی امروزی در تبدیل انرژی خورشید به برق، پتانسیل تبدیل انرژی خورشیدی در حال حاضر توسط فناوری ذخیره‌سازی باتری مهار شده است.

یک پیشرفت جدید در مقیاس مولکولی می‌تواند مسیر جدیدی را برای ذخیره‌سازی طولانی‌مدت انرژی خورشیدی برای گرمایش خانه‌ها و تأمین آب گرم (بدون باتری) باز کند.

این چگونه ممکن است؟ برای پاسخ به این پرسش، باید نگاهی سریع به دنیای الکتروشیمی بیندازیم.

باتری‌ها انرژی را به عنوان انرژی پتانسیل شیمیایی ذخیره می‌کنند. انرژی ذخیره شده در یک باتری شیمیایی به عنوان نوعی تنش و عدم تعادل در نحوه قرارگیری اتم‌ها و الکترون‌ها بین دو ماده وجود دارد.

هنگامی که یک باتری شارژ می‌شود، انرژی خارجی، الکترون‌ها و یون‌ها را به پیکربندی‌های انرژی بالاتر سوق می‌دهد، جایی که آنها به طور طبیعی نمی‌خواهند در آن بمانند و انرژی پتانسیل ایجاد می‌کنند. این معادل شیمیایی بلند کردن یک وزنه روی یک قفسه بلند یا فشردن یک فنر است.

آن انرژی پتانسیل تا زمانی که مدار بسته شود، به صورت تنش ذخیره شده باقی می‌ماند و الکترون‌ها می‌توانند از طریق آن مدار از آند به کاتد به سمت حالت انرژی پایین‌تر جریان یابند. از نظر انرژی، آنها به سادگی در حال حرکت به سمت پایین هستند و آن انرژی پتانسیل ذخیره شده را آزاد می‌کنند که ما آن را به عنوان جریان الکتریکی در مدار استفاده می‌کنیم.

این سیستمی است که به طرز چشمگیری خوب کار می‌کند، به همین دلیل است که باتری‌ها به ستون فقرات الکترونیک مدرن تبدیل شده‌اند، اما مانند هر چیز دیگری در زندگی، آنها نیز محدودیت‌هایی دارند. باتری‌ها با گذشت زمان، شروع به تخریب و آزاد کردن بقایای سفید گچ‌مانندی می‌کنند یا شروع به متورم شدن و آزاد کردن گرما می‌کنند. آنها همچنین به مواد پیچیده‌ای متکی هستند و همیشه برای ذخیره انرژی در مدت زمان طولانی ایده‌آل نیستند.

باتری‌ها به ویژه برای انرژی خورشیدی، مراحل اضافی را معرفی می‌کنند. ابتدا نور خورشید باید از طریق پنل‌های فتوولتائیک به برق تبدیل شود که سپس در یک باتری ذخیره می‌شود. وقتی به آن انرژی نیاز باشد، باید دوباره بیرون کشیده شود، از طریق یک مدار هدایت شود و دوباره به چیزی قابل استفاده برای چه نور، گرما یا حرکت تبدیل شود.

بنابراین مهار قدرت خورشید در مولکول‌ها می‌تواند یک روش ذخیره انرژی مکمل برای گرمایش را فراهم کند.

محققان دانشگاه کالیفرنیا سانتا باربارا می‌گویند که موفق شده‌اند سیستم کلی این روش را بسیار ساده کنند. آنها در یک مطالعه پیشگامانه که اخیراً در مجله Science منتشر شده است، ادعا می‌کنند که یک مولکول آلی توسعه داده‌اند که قادر به جذب نور خورشید و ذخیره مستقیم آن در پیوندهای شیمیایی خود است و این مولکول از نظر چگالی انرژی بر حسب وزن، از همه باتری‌های لیتیومی به جز برخی باتری‌های آزمایشی پیشی می‌گیرد.

این مولکول که پیریمیدون(Pyrimidone) نام دارد، از ساختارهایی مرتبط با بلوک‌های سازنده DNA مشتق شده است. محققان آن را به یک سیستم فشرده که به طور خاص برای جذب انرژی خورشیدی طراحی شده است، تغییر داده‌اند. دانشمندان به فناوری‌هایی مانند این، ذخیره‌سازی حرارتی خورشیدی مولکولی یا MOST می‌گویند.

هان انگوین(Han Nguyen) از اعضای این تیم تحقیقاتی می‌گوید: در سیستم‌های MOST، انرژی به جای گرما یا بار الکتریکی، در پیوندهای شیمیایی ذخیره می‌شود. پیوندهای شیمیایی عموماً پایدار هستند که امکان ذخیره انرژی را برای مدت طولانی بدون از دست دادن قابل توجه فراهم می‌کنند. در سیستم مبتنی بر پیریمیدون ما، انرژی به شکل فشرده‌ای به نام ایزومر دوّار ذخیره می‌شود. هنگامی که مولکول به این شکل است، تا زمانی که ما عمداً آزادسازی انرژی آن را تحریک کنیم، در آنجا باقی می‌ماند.

آنچه انگوین توصیف می‌کند، در یک مولکول واحد اتفاق می‌افتد. این سیستم به جای جابجایی الکترون‌ها بین مواد، به صورت داخلی کار می‌کند. وقتی نور خورشید به ساختار برخورد می‌کند، به یک پیکربندی تحت فشار تبدیل می‌شود که انرژی پتانسیل را در پیوندهای شیمیایی خود قفل می‌کند.

از برخی جهات، مولکول مانند یک تله موش مولکولی کوچک رفتار می‌کند. نور خورشید تله را تنظیم می‌کند و ساختار را به موقعیتی پرتنش و پرانرژی سوق می‌دهد. شیمیدانان از این نوع تغییر ساختاری به عنوان «ایزومریزاسیون نوری» یاد می‌کنند، فرآیندی که در آن نور، هندسه یک مولکول را بدون شکستن آن تغییر می‌دهد.

در این سیستم، آن تغییر شکل برگشت‌پذیر به عنوان خود چرخه ذخیره‌سازی عمل می‌کند. برای آزادسازی انرژی، از یک کاتالیزور اسیدی استفاده می‌شود. چیزی که آن را به ویژه برای ترکیب ذخیره‌سازی انرژی مدرن جالب می‌کند، این است که انرژی به صورت گرما آزاد می‌شود، نه برق و طبق گفته محققان این مطالعه، گرمای کافی برای جوشاندن آب را آزاد می‌کند.

امروزه اکثر سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر برای ذخیره برق طراحی شده‌اند، در حالی که در واقع آنچه شما اغلب می‌خواهید از انتهای دیگر خارج شود، در واقع گرما است. آب گرم، بسیاری از فرآیندهای صنعتی و گرمایش ساختمان همگی به انرژی حرارتی متکی هستند، بنابراین انرژی ذخیره شده در باتری‌های سنتی باید یک مرحله تبدیل دیگر را طی کند. سیستم MOST برای حذف واسطه و برآورده کردن مستقیم این نیاز طراحی شده است.

انگوین می‌گوید: ما آن را به عنوان یک فناوری مکمل می‌بینیم، نه جایگزینی برای آنچه که در حال حاضر وجود دارد. چشم‌انداز انرژی به طور فزاینده‌ای به پنل‌های فتوولتائیک جفت شده با باتری‌های لیتیوم-یونی متکی است و این سیستم‌ها برای برق عالی هستند، اما تقریباً نیمی از تقاضای جهانی انرژی برای گرما شامل گرم کردن خانه‌ها، پخت و پز و تهیه آب گرم است و برای این کاربرد، سیستمی که گرما را مستقیماً ذخیره کند و تحویل دهد، مناسب‌تر است.

از نظر کارایی، این یک راه‌حل ذخیره‌سازی انرژی واقعاً قابل توجه است. این سیستم ۱.۶ مگاژول انرژی در هر کیلوگرم از ماده را در خود جای می‌دهد که معادل حدود ۴۴۴ وات‌ساعت بر کیلوگرم است و تقریباً دو برابر چیزی است که معمولاً در باتری‌های لیتیوم-یونی که در خودروهای برقی امروزی استفاده می‌شوند، می‌بینید.

البته این فناوری هنوز در مراحل اولیه توسعه خود است و محققان در حال حاضر در تلاشند تا قبل از اینکه سیستم بتواند فراتر از آزمایشگاه حرکت کند، کارایی، دوام و مقیاس‌پذیری را بهبود بخشند.

انگوین گفت: فوری‌ترین چالش، بهبود میزان کارایی شارژ مولکول‌ها در زیر نور خورشید است. در حال حاضر، پیریمیدون ما عمدتاً در محدوده فرابنفش جذب می‌شود که تنها بخش کوچکی از طیف خورشیدی را پوشش می‌دهد. ما باید جذب را به سمت طول موج‌های مرئی تغییر دهیم تا از انرژی موجود در فضای باز بهتر استفاده کنیم.

محققان همچنین در حال بررسی اصلاحات ساختاری در مولکول هستند که می‌تواند محدوده جذب آن را به طیف نور مرئی گسترش دهد و در عین حال چگالی انرژی و پایداری آن را حفظ کند.

این تیم فراتر از بهبود نحوه جذب نور خورشید توسط مولکول‌ها، بر کاربردی کردن این سیستم نیز متمرکز است.

انگوین می‌گوید: ما در بخش دستگاه در تلاشیم تا کاتالیزور اسیدی همگن مورد استفاده در آزمایش‌های اثبات مفهوم خود را با کاتالیزورهای ناهمگن، یعنی کاتالیزورهای جامد که می‌توانند در یک کانال جریان تعبیه شوند و به طور نامحدود مورد استفاده مجدد قرار گیرند، جایگزین کنیم.

وی افزود: این به معنای جایگزینی یک جزء مایع یک‌بار مصرف با یک ماده جامد است که می‌تواند در یک سیستم قابل استفاده مجدد ساخته شود. این تغییری است که به فناوری اجازه می‌دهد تا بارها و بارها چرخه را طی کند و گرما را بدون نیاز به تنظیم مجدد در هر بار، جذب و آزاد کند.

با شروع به کار این قطعات، حتی در این مرحله اولیه، کار این تیم در حال تغییر شکل نحوه تفکر ما در مورد ذخیره انرژی است. بیش از یک قرن، ذخیره انرژی تا حد زیادی به معنای تکیه بر باتری‌ها بوده است. در اینجا، این تغییر، شکل متفاوتی به خود می‌گیرد، به طوری که نور خورشید نه در فلزات و الکترون‌های متحرک، بلکه به شکل خود مولکول‌ها جذب و نگهداری می‌شود.

این مطالعه در مجله Science منتشر شده است.

منبع: ایسنا