Molekulákban tárolt napenergia
A hő hosszú távú tárolásához az energiát molekulák kémiai kötéseibe kell zárni, amelyek aztán vezérlőjelre, igény szerint szabadítják fel a meleget. Ez a technológia a molekuláris naptermikus (MOST) energiatárolás. Bár régóta ígérik a forradalmat ezen a területen, eddig jórészt kudarcot vallottak a megvalósítási kísérletek.
Kaliforniai kutatók (UC Santa Barbara és UCLA) most áttörést értek el: olyan folyadékot fejlesztettek, amely a napenergiát képes hónapokig, sőt akár tovább is tárolni, majd később hő formájában felszabadítani.
Napozás, DNS és a molekuláris akkumulátor
A természet is kínál ötleteket: amikor túl sokat napozunk, a DNS egyes bázisai (például a timin) összekapcsolódhatnak, és 6–4-es elváltozást okoznak. Ha továbbra is UV-sugárzásnak vannak kitéve, ezek az elváltozások Dewar-izomerré alakulnak, amelyek torzítják a DNS szerkezetét – ez betegségekhez is vezethet. Az evolúció során azonban szervezetünk képes ezt visszafordítani egy fotoliáz nevű enzimmel, amely visszaalakítja a biztonságos formába.
A kutatók felismerték, hogy a Dewar-izomer valójában olyan, mint egy molekuláris akkumulátor: amikor visszaalakul az eredeti formába, jelentős mennyiségű hőt ad le – pont erre van szükség a hőtároláshoz!
Az újratölthető napenergiás üzemanyag
A molekuláris energiatárolók elméletben igen hatékonyak. Klasszikus példa a fűtőolaj, amely ősi napenergiát tárol vegyületek formájában, és kb. 40 megajoule/kg energiasűrűségű, szemben a lítiumion-akkumulátorokkal (kevesebb mint 1 MJ/kg). Hátrány, hogy egyszer használható: elég, és az energia elvész.
A kutatásban a DNS-ből ismert timinhez hasonló 2-pirimidon-származékot hoztak létre, amely napsütés hatására Dewar-izomerré alakul, majd jelre vissza az eredeti formájába – ekkor hő szabadul fel. Létrejött egy újratölthető, napenergiát elnyelő, majd hőt leadó folyadék.
Rendkívüli energiasűrűség, kompromisszumokkal
Korábbi hasonló rendszerek nem tudták felvenni a versenyt a lítiumion-akkumulátorokkal. Például a norbornadién 0,97 MJ/kg-os, az azaborinin pedig csak 0,65 MJ/kg-os energiasűrűséget kínált – egyik sem elég ahhoz, hogy egy háztartást kifűtsön. Az új, pirimidon-alapú folyadék viszont 1,65 MJ/kg-os értéket produkált, vagyis közel dupláját egy lítiumion-akkumulátornak, és számottevően jobbat minden korábbi MOST-technológiánál.
A siker titka: amikor a pirimidon elnyeli a fényt, nem egyszerűen meghajlik, hanem egy speciális, kettős gyűrűs, nagyenergiájú szerkezetet alakít ki. Ezek a gyűrűk a stabil szerkezet elérésére törekszenek, és sok energiát raktároznak.
Más szempontból: a legtöbb korábbi ilyen anyag szilárd volt, amelyet oldószerben kellett oldani, ez pedig lényegesen csökkentette az energiasűrűséget. Ez az új molekula szobahőmérsékleten folyékony, nincs szüksége oldószerre, egyszerűen napkollektorban szivattyúzható és tartályban tárolható. Sőt, vízzel is kompatibilis, nem tartalmaz mérgező szerves oldószereket, szivárgás esetén pedig könnyen kezelhető.
Akadályok a tökéletes működésig
Két fontos problémát azonban még meg kell oldani. Először is, a molekula csak az UV-A és UV-B (300–310 nm) tartományban nyeli el a napfényt, ami a teljes napsugárzás mindössze 5%-a – a többi, főleg látható fény és infravörös, egyszerűen áthalad rajta, töltés nélkül. Másrészt a kvantumhatásfok is gyenge: 100 beeső fotonból csak néhány vált ki energiaátmenetet.
A kutatók úgy vélik, hogy a molekula egy részén „szivárgás” történik, vagyis amint elnyeli az energiát, azonnal hő formájában le is adja, ahelyett, hogy elraktározná. Ennek megszüntetését tartják a következő nagy kihívásnak.
További kompromisszum: savas katalizátorral indítják el a hőfelszabadítást, és ez a tárolóban található. Később ezt semlegesíteni kell, ha zárt rendszerben szeretnének működni, vagy szilárd, savas felület segítségével lehetne megoldani, így akár meg is kerülhető a katalizátor elválasztása. Ez azonban némileg csökkenti az energiasűrűséget.
Stabilitás és jövőbeli lehetőségek
Ennek ellenére a molekula stabilitása kiemelkedő. Nincs jelentős energiaveszteség, ha tartós tárolás szükséges: egyes változatok szobahőmérsékleten akár 481 napig is tárolják az energiát, így például júliusban feltöltve, januárban is fűthetjük vele otthonunkat. Sőt, a folyadék akár vízben is képes volt eléggé felmelegedni ahhoz, hogy felforralja azt.
A ciklikus töltés-leadás sem jár veszteségekkel – 20 cikluson keresztül alig degradálódott. A katalizátor problémája egy praktikus rendszerben könnyen orvosolható.
Ugyanakkor a MOST-alapú rendszerek házi fűtésre való használatához még több kutatás, főként a fényelnyelési tartomány kiterjesztése és a hatásfok javítása szükséges. A kutatás azonban új utat nyit a megújuló energiák használatában – és egy lépéssel közelebb kerülhetünk a valóban zöld otthonokhoz.
