Ar tai energijos saugojimo revoliucija? Ši molekulė saulės energiją kaupia visiškai nauju būdu

Į šią spragą nusitaiko nauja medžiaga, leidžianti saulės energiją kaupti ne akumuliatoriuose, o cheminių ryšių pavidalu. Vietoj to, kad gamintume elektros energiją ir rūpintumės baterijomis, siūlomas paprastesnis sprendimas: sugauti fotonus, užrakinti jų energiją molekulėje ilgiems metams ir išleisti ją tada, kai jos tikrai reikia – šilumos pavidalu.

Saulė butelyje: šilumos saugykla be laidų

Aprašytoji medžiaga – tai modifikuota organinė molekulė pirimidono pagrindu, veikianti pagal MOST (angl. molecular solar thermal) koncepciją. Jos veikimas primena spyruoklę: veikiama šviesos, molekulė pereina į įtemptą, aukštesnės energijos būseną ir gali išlikti joje labai ilgai, beveik neprarasdama sukauptos energijos.

Esminis dalykas – kas nutinka vėliau. Tai nėra sandėlis, kuris savaime išsikrauna vos tik atvėsta aplinka. Molekulei reikia dirgiklio – nedidelio šilumos kiekio arba katalizatoriaus, kad ji grįžtų į stabilesnę formą ir atiduotų sukauptą energiją jau mūsų valia – kaip šilumą pagal poreikį. Praktikoje tai veikia tarsi akumuliatorius, tik vietoje elektros energijos gaunamas kontroliuojamas temperatūros šuolis.

Įkvėpta biologijos, bet skirta inžinerijai

Įdomi ir šios idėjos kilmė: įkvėpimo semtasi iš biologinių struktūrų, artimų DNR – iš tų motyvų, kurie geba grįžtamai keisti formą veikiant ultravioletiniams spinduliams. Mokslininkų komanda nenukopijavo gamtos tiesiogiai, o pasinaudojo ja kaip užuomina: jei biochemijoje egzistuoja stabilūs, grįžtami persijungimai, juos galima „išversti“ į energijos kaupimo kalbą.

Antra svarbi kryptis – molekulės „palengvinimas“. Vietoje sudėtingos, „sunkių“ fragmentų turinčios struktūros pasirinkta kuo kompaktiškesnė ir lengvesnė architektūra, be nereikalingų dalių. Čia lemiamą vaidmenį atliko skaitmeninis modeliavimas, padėjęs suprasti, kodėl būtent toks išdėstymas gali išlikti stabilus daugelį metų.

Tokiose temose lengva pasiklysti abstrakcijose, todėl verta pasiremti labiau apčiuopiama metrika. Daugiau nei 1,6 MJ/kg siekiantis energijos tankis yra lygis, kurį patys autoriai tiesiogiai palygina su įprastomis ličio jonų baterijomis (apie 0,9 MJ/kg). Vadinasi, kalbame apie energijos kaupimą medžiagoje, kuri nėra baterija tradicine prasme, bet pagal energijos kiekį vienam kilogramui su jomis jau konkuruoja.

Dar įspūdingesnė yra praktinė demonstracija: iš molekulės išlaisvinta šiluma buvo tokia intensyvi, kad laboratorinėmis sąlygomis jos pakako vandeniui užvirti. Tai nėra vien tik graži iliustracija skaidrėms – tai bandymas, kurį šioje srityje ilgai buvo sunku pasiekti. Daug ankstesnių sprendimų atrodė puikiai teoriniuose grafikuose, tačiau realybėje nesugebėdavo užtikrinti pakankamai didelio temperatūros šuolio.

Kur tai galėtų būti panaudota?

Potencialių taikymo sričių netrūksta: autonominės (off-grid) sistemos, turizmas, buitinio karšto vandens ruošimas, šilumos tiekimo stabilizavimas namuose ar net tie įrenginiai, kurie šiandien remiasi elektra, nors galiausiai jų tikslas – tik šildymas. Ypač intriguojanti yra cirkuliacijos idėja: medžiaga tirpsta vandenyje, tad teoriškai ją būtų galima pumpuoti per stogo kolektorių, dieną „įkrauti“, o tuomet laikyti rezervuare ir iškrauti naktį.

Toks požiūris turi ir sisteminį privalumą: jis nebando išstumti baterijų iš rinkos. Užuot
sprendusi tą pačią problemą, ši technologija apeina kitą – ten, kur reikia daugiausia šilumos, o ne elektros, konversijų grandinė „šviesa → elektra → kaupimas → elektra → kaitinimo elementas“ yra tiesiog neefektyvi. Čia šiluma yra tikslas nuo pat pradžių, todėl visas kelias trumpesnis ir logiškesnis.

Energijos srityje netrūksta idėjų, kurios laboratorijoje atrodo puikiai, bet pralaimi susidūrus su logistika: saugumu, kaina, atsparumu realioms sąlygoms, priežiūros paprastumu. Šiuo atveju atsiranda vilčių, nes kalbama apie medžiagą, galinčią kaupti energiją metų metus, būti pakartotinai naudojamą ir atiduoti šilumą tada, kai jos prireikia.

Jei pavyks šią technologiją išplėsti ir įdiegti paprastose, patikimose sistemose, ji gali tyliai pakeisti kasdienybę: sumažinti papildomą šildymą elektra, sumažinti spaudimą baterijų gamybai ir padėti protingiau naudoti saulės energiją ten, kur vis tiek mokame už šilumą. O šiluma jau dabar tampa viena svarbiausių XXI amžiaus „valiutų“.