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

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

این چطور امکان پذیر؟ برای جواب به این سوال، باید نگاهی سریع به دنیای الکتروشیمی بیندازیم.

باتری‌ها انرژی را به گفتن انرژی پتانسیل شیمیایی ذخیره می‌کنند. انرژی ذخیره شده در یک باتری شیمیایی به گفتن نوعی تنش و عدم اعتدال 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 تشکیل می‌کنند. این معادل شیمیایی بلند کردن یک وزنه روی یک قفسه بلند یا فشردن یک فنر است.

آن انرژی پتانسیل تا وقتی که مدار بسته شود، به طور 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 می باشند و آن انرژی پتانسیل ذخیره شده را آزاد می‌کنند که ما آن را به گفتن جریان الکتریکی در مدار منفعت گیری می‌کنیم.

این سیستمی است که به نحوه چشمگیری خوب کار می‌کند، به همین علت است که باتری‌ها به ستون فقرات الکترونیک مدرن تبدیل شده‌اند، اما همانند هر چیز فرد دیگر در زندگی، آنها نیز محدودیت‌هایی دارند. باتری‌ها با گذشت زمان، اغاز به تخریب و آزاد کردن باقی مانده سفید گچ‌مانندی می‌کنند یا اغاز به متورم شدن و آزاد کردن گرما می‌کنند. آنها این چنین به مواد پیچیده‌ای متکی می باشند و همیشه برای ذخیره انرژی در زمان زمان طویل ایده‌آل نیستند.

باتری‌ها به اختصاصی برای انرژی خورشیدی، مرحله های اضافی را معارفه می‌کنند. ابتدا نور خورشید باید از طریق پنل‌های فتوولتائیک به برق تبدیل شود که سپس در یک باتری ذخیره می‌شود. هنگامی به آن انرژی نیاز باشد، باید مجدد بیرون کشیده شود، از طریق یک مدار هدایت شود و مجدد به چیزی قابل منفعت گیری برای چه نور، گرما یا حرکت تبدیل شود.

به این علت مهار قوت 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 زیاد ساده کنند. آنها در یک مطالعه پیشگامانه که اخیراً در مجله Science انتشار شده است، ادعا می‌کنند که یک مولکول آلی گسترش 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

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، تحول داده‌اند. دانشمندان به فناوری‌هایی همانند 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 می باشند که امکان ذخیره انرژی را برای زمان طویل بدون از دست دادن قابل دقت 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 وقتی 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 طور داخلی کار می‌کند. هنگامی نور خورشید به ساختار برخورد می‌کند، به یک پیکربندی تحت سختی تبدیل می‌شود که انرژی پتانسیل را در پیوندهای شیمیایی خود قفل می‌کند.

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

در این سیستم، آن تحول شکل برگشت‌پذیر به گفتن خود چرخه ذخیره‌سازی عمل می‌کند. برای آزادسازی انرژی، از یک کاتالیزور اسیدی منفعت گیری می‌شود. چیزی که آن را به اختصاصی برای ترکیب ذخیره‌سازی انرژی مدرن دلنشین می‌کند، این است که انرژی به طور گرما آزاد می‌شود، نه برق و مطابق حرف های 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 زیاد تر می‌خواهید از انتهای دیگر خارج شود، در واقع گرما است. آب گرم، تعداد بسیاری از فرآیندهای صنعتی و گرمایش ساختمان همه انها به انرژی حرارتی متکی می باشند، به این علت 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 گفتن یک فناوری مکمل می‌بینیم، نه جایگزینی برای آنچه که اکنون وجود دارد. چشم‌انداز انرژی به طور فزاینده‌ای به پنل‌های فتوولتائیک جفت شده با باتری‌های لیتیوم-یونی متکی است و این سیستم‌ها برای برق عالی می باشند، 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 دقت است. این سیستم ۱.۶ مگاژول انرژی در هر کیلوگرم از ماده را در خود جای می‌دهد که معادل نزدیک به ۴۴۴ وات‌ساعت بر کیلوگرم است و تقریباً دو برابر چیزی است که طبق معمولً در باتری‌های لیتیوم-یونی که در خودروهای برقی امروزی منفعت گیری خواهد شد، می‌بینید.

یقیناً این فناوری تا این مدت در مرحله های اولیه گسترش خود است و محققان اکنون در تلاشند تا قبل از این که سیستم بتواند فراتر از آزمایشگاه حرکت کند، کارایی، دوام و مقیاس‌پذیری را بهبود بخشند.

انگوین او گفت: سریع‌ترین چالش، بهبود مقدار کارایی شارژ مولکول‌ها در زیر نور خورشید است. اکنون، پیریمیدون ما عمدتاً در محدوده فرابنفش جذب می‌شود که تنها قسمت کوچکی از طیف خورشیدی را پوشش می‌دهد. ما باید جذب را به سمت طول موج‌های مرئی تحول دهیم تا از انرژی حاضر در فضای باز بهتر منفعت گیری کنیم.

محققان این چنین در حال بازدید اصلاحات ساختاری در مولکول می باشند که می‌تواند محدوده جذب آن را به طیف نور مرئی گسترش دهد و در عین حال چگالی انرژی و پایداری آن را نگه داری کند.

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

انگوین می‌گوید: ما در قسمت دستگاه در تلاشیم تا کاتالیزور اسیدی همگن مورد منفعت گیری 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 منفعت گیری مجدد قرار گیرند، جانشین کنیم.

او گفت: این به معنی جایگزینی یک جزء مایع یک‌بار مصرف با یک ماده جامد است که می‌تواند در یک سیستم قابل منفعت گیری مجدد ساخته شود. این تغییری است که به فناوری اجازه می‌دهد تا چندین دفعه و چندین دفعه چرخه را طی کند و گرما را بدون نیاز به تنظیم مجدد در هر بار، جذب و آزاد کند.

با اغاز به کار این قطعات، حتی در این مرحله اولیه، کار این تیم در حال تحول شکل نحوه تفکر ما در رابطه ذخیره انرژی است. بیشتر از یک قرن، ذخیره انرژی تا حد بسیاری به معنی تکیه بر باتری‌ها بوده است. در اینجا، این تحول، شکل متغیری 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 انتشار شده است.