انرژی خورشیدی یک نقطه ضعف ساده اما آزاردهنده دارد. هنگامی خورشید نمی‌تابد، ناپدید می‌شود. حتی کارآمدترین سیستم‌ها نیز با این حقیقت اساسی دست و پنجه نرم می‌کنند. نبوده است نور خورشید به معنی نبوده است انرژی است. دانشمندان زمان‌ها است که تلاش کرده‌اند با ذخیره انرژی خورشیدی به طور گرما، این مشکل را رفع کنند، اما انجام کارآمد آن دشوار بوده است.

به نقل از آی‌ای، زیاد تر مطرح‌ها به روی هم چیدن مواد گوناگون متکی می باشند یکی برای جذب نور خورشید، فرد دیگر برای ذخیره گرما و سپس فرد دیگر برای محافظت از سیستم. این لایه‌ها به طور یکپارچه کار نمی‌کنند و در هر مرزی انرژی هدر خواهند داد.

اکنون، محققان رویکرد زیاد متغیری را برای تسلط بر این مشکل اتخاذ کرده‌اند. به جای مونتاژ چندین قطعه، آنها چوب را به یک سیستم انرژی خورشیدی همه کاره تبدیل کرده‌اند.

آنها با طراحی مجدد ساختار داخلی آن در مقیاس نانو، ماده‌ای تشکیل کرده‌اند که می‌تواند نور خورشید را جذب کند، آن را به طور گرما ذخیره کند و حتی بعد از خاموش شدن نور، به تشکیل برق ادامه دهد.

بازسازی چوب از داخل

محققان با چوب بالسا اغاز کردند، نه برای استحکام آن، بلکه برای معماری داخلی آن. در زیر میکروسکوپ، بالسا همانند دسته‌ای از میکرولوله‌های هم‌تراز به نظر می‌رسد که هر کدام نزدیک به ۲۰ تا ۵۰ میکرومتر عرض دارند. این کانال‌ها می‌توانند گرما را هدایت کرده و مواد را نگه دارند و آنها را به یک داربست طبیعی تبدیل کنند.

با این حال، چوب خام نور خورشید را منعکس کرده و آب را جذب می‌کند. به این علت محققان ابتدا چوب را از لیگنین، جزئی که به آن رنگ و استحکام می‌دهد، عاری کردند. این مرحله لیگنین‌زدایی، تخلخل را به بالای ۹۳ درصد افزایش داد و شبکه‌ای متراکم از سطوح عکس العمل‌پذیر را در داخل کانال‌ها نمایان کرد.

به این فکر کنید که چوب را خالی کرده و آن را به یک اسفنج زیاد متخلخل تبدیل می‌کنند اما اسفنجی که تا این مدت ساختار جهت‌دار خود را نگه داری می‌کند. در مرحله سپس، به جای سوزاندن چوب، سطوح داخلی آن را به طور شیمیایی مهندسی کردند.

آنها دیواره‌های کانال را با ورق‌های زیاد نازک فسفرین سیاه پوشش دادند که ماده‌ای است که نور خورشید را در طول موج‌های فرابنفش، مرئی و مادون قرمز جذب می‌کند و آن را به گرما تبدیل می‌کند. برخلاف کربن، فسفرین این چنین خواص ضد شعله دارد، اما یک نقطه ضعف دارد. به شدت در هوا تجزیه می‌شود.

برای حل این مشکل، محققان هر نانوورقه را در یک لایه محافظ ساخته شده از اسید تانیک و یون‌های آهن پیچیدند. این شبکه فلزی-پلی فنول همانند یک سپر مولکولی عمل می‌کند و از اکسیداسیون جلوگیری می‌کند و در عین حال جذب نور را از طریق اثرات انتقال بار بهبود می‌بخشد. حتی بعد از ۱۵۰ روز قرار گرفتن در معرض نور خورشید، ماده پوشش داده شده پایدار ماند.

یک سیستم ذخیره‌سازی بادوام، کارآمد و ضد آب

سپس این گروه نانوذرات نقره را اضافه کردند که نحوه تعامل ماده با نور خورشید را تحکیم می‌کنند. در نهایت، آنها زنجیره‌های هیدروکربنی طویل را روی سطح پیوند زدند و آن را به شدت ضد آب کردند. ساختار نهایی زاویه تماس ۱۵۳ درجه داشت، به این معنی که آب به راحتی می‌غلتد.

این سیستم نزدیک به ۱۷۵ کیلوژول گرما در هر کیلوگرم ذخیره کرد، ۹۱.۲۷ درصد از نور خورشید ورودی را به گرمای قابل منفعت گیری تبدیل کرد، گرما را تقریباً ۳.۹ برابر کارآمدتر در امتداد الیاف طبیعی چوب هدایت کرد و هنگامی که با یک ژنراتور ترموالکتریک جفت شد، تحت تابش استاندارد تک خورشیدی تا ۰.۶۵ ولت انرژی تشکیل کرد.

هنگامی نور خورشید به این ماده برخورد می‌کند، گرم شده و اسید استئاریک جاسازی‌شده را ذوب می‌کند. هنگامی نور حذف می‌شود، گرمای ذخیره‌شده کم کم آزاد می‌شود و اختلاف دما را در یک ژنراتور ترموالکتریک نگه داری می‌کند. این کار به سیستم اجازه می‌دهد حتی بعد از رفتن منبع نور، به تشکیل برق ادامه دهد.

علاوه بر این، این ماده بادوام می بود. بعد از ۱۰۰ چرخه گرمایش-سرمایش، کارکرد آن به سختی تحول کرد. با خاموش شدن خودکار در عرض دو دقیقه در برابر سوختن مقاومت کرد و سطح ضدمیکروبی آن از رشد باکتری‌هایی که می‌توانند کارکرد در فضای باز را افت دهند، جلوگیری کرد.

پتانسیل بالای ذخیره‌سازی خورشیدی با منفعت گیری از چوب

این کار روشی ساده برای ساخت یک سیستم خورشیدی زیاد کارآمد اراعه می‌دهد. در اینجا، چوب فقط یک ساختار پشتیبان نیست؛ بلکه نور خورشید را جذب می‌کند، گرما را ذخیره می‌کند و همزمان از خود محافظت می‌کند.

علاوه بر این، این ایده می‌تواند فراتر از انرژی خورشیدی باشد. مطرح‌های شبیه امکان پذیر به مدیریت گرما در الکترونیک پشتیبانی کنند، مصالح ساختمانی با منفعت‌وری انرژی را بهبود بخشند یا از سیستم‌های برق کوچک و خارج از شبکه که در آنها قابلیت مطمعن بیشتر از خروجی اوج اهمیت دارد، حمایتکنند.

با این حال، اینها احتمالات آینده می باشند. ابتدا، محققان باید یقین شوند که سیستم آنها می‌تواند در مقیاس بزرگ کار کند و در عین حال خروجی انرژی مطلوب را اراعه دهد.

در صورت پیروزی، می‌تواند با دیگر نانومواد و ساختارهای زیست توده سازگار شود و نسل جدیدی از سیستم‌های انرژی خورشیدی را تشکیل کند که قادر به جذب، ذخیره و مدیریت انرژی به تنهایی می باشند.