Tyrėjai sukūrė „įkraunamą saulės bateriją“, kuri kaupia saulės šviesą molekulėse ir vėliau išskiria pakankamai šilumos vandeniui užvirinti.
UC Santa Barbaros mokslininkai sukūrė puikią naują medžiagą, kuri veikia kaip „įkraunama saulės baterija“, kaupdama saulės šviesą mažytėse molekulėse ir vėliau ją išskirdama kaip šilumą – net ilgai po saulėlydžio. Įkvėpta grįžtamųjų DNR ir fotochrominių akinių nuo saulės pokyčių, sistema sukaupia saulės energiją, nenaudojant didelių gabaritų baterijų ar elektros tinklo. Molekulė gali kaupti energiją metų metus ir viename kilograme sukaupia daugiau energijos nei ličio jonų baterijos.
Tyrėjai išrado galingą naują saulės energiją kaupiančią molekulę, kuri sulaiko saulės šviesą kaip įkraunama baterija ir vėliau ją išskiria kaip šilumą. Šaltinis: AI/ScienceDaily.com
Kadangi saulės baterijos praranda gebėjimą gaminti elektrą po saulėlydžio, vienas pagrindinis atsinaujinančios energijos iššūkis išlieka: kaip kaupti saulės energiją, kad ją būtų galima naudoti vėliau, kai oras debesuotas, ar per naktį.
Kalifornijos universiteto Santa Barbaroje tyrėjai mano radę atsakymą, kuris padės išvengti didelių akumuliatorių sistemų ar priklausomybės nuo elektros tinklo. Žurnale „Science“ docentė Grace Han ir jos tyrimų komanda aprašo naują medžiagą, gebančią sugerti saulės šviesą, kaupti šią energiją cheminėmis jungtimis ir vėliau, kai reikia, išskirti ją kaip šilumą. Medžiaga pagrįsta modifikuota organine molekule, vadinama pirimidonu, ir yra naujas žingsnis į priekį molekulinės saulės šiluminės energijos (Molecular Solar Thermal, MOST) kaupimo technologijoje.
„Ši koncepcija yra daugkartinio naudojimo ir perdirbama“, – sakė Han Nguyen, Han grupės doktorantė ir pagrindinė tyrimo autorė.
„Pagalvokite apie fotochrominius akinius nuo saulės. Kai esate viduje, tai tik skaidrūs lęšiai. Išeinate į saulę, ir jie patys patamsėja. Grįžę vidun, lęšiai vėl tampa skaidrūs“, – tęsė Nguyen. „Tokie grįžtamieji pokyčiai mus ir domina. Tik užuot keitę spalvą, norime panaudoti tą pačią idėją energijai kaupti, ją išskirti, kai mums jos reikia, ir tada pakartotinai naudoti medžiagą vėl ir vėl.“
DNR įkvėptas Saulės energijos kaupimas
Kurdami molekulę, mokslininkai įkvėpimo sėmėsi iš netikėto šaltinio: DNR. Pirimidono struktūra panaši į natūraliai DNR randamą komponentą, kuris, veikiamas ultravioletinių spindulių, gali grįžtamai pakeisti formą.
Naudodama sintetinę šios struktūros versiją, komanda sukūrė molekulę, galinčią pakartotinai kaupti ir išskirti energiją. Siekdami geriau suprasti, kodėl molekulė išlieka stabili, ilgai išlaikydama energiją, tyrėjai bendradarbiavo su žymiu UCLA tyrimų profesoriumi Kenu Houku. Modeliavimas padėjo paaiškinti, kaip medžiaga gali išlaikyti sukauptą energiją metų metus be didelių nuostolių.
„Mes teikėme pirmenybę lengvam, kompaktiškam molekulės dizainui“, – sakė Nguyenas. „Šiame projekte iškirpome viską, ko mums nereikėjo. Viską, kas buvo nereikalinga, pašalinome, kad molekulė būtų kuo kompaktiškesnė.“
Daugkartinio naudojimo „saulės baterija“
Skirtingai nuo standartinių saulės baterijų, kurios tiesiogiai paverčia saulės šviesą elektra, ši sistema energiją kaupia chemiškai. Molekulė elgiasi panašiai kaip suspausta spyruoklė. Sugėrusi saulės šviesą, ji pereina į įtemptą, didelės energijos formą ir išlieka toje būsenoje, kol yra aktyvuojama.
Veikiama stichinio faktoriaus – pavyzdžiui, nedidelio kiekio šilumos ar katalizatoriaus – molekulė grįžta į pradinę formą, išskirdama sukauptą energiją kaip šilumą.
„Mes paprastai ją apibūdiname kaip įkraunamą saulės bateriją“, – sakė Nguyen. „Ji kaupia saulės šviesą ir gali būti įkraunama.“
Molekulė taip pat pasižymi įspūdingu energijos tankiu. Pasak tyrėjų, ji kaupia daugiau nei 1,6 megadžaulių energijos kilograme. Palyginimui, įprasta ličio jonų baterija kaupia maždaug 0,9 MJ/kg. Naujoji medžiaga taip pat pranoko ankstesnes optines energijos kaupimo medžiagas.
Nauja medžiaga gali virinti vandenį naudodama sukauptą saulės šviesą.
Svarbus komandos žingsnis buvo molekulės didelės energijos kaupimo talpos pavertimas praktine demonstracija. Eksperimentais tyrėjai parodė, kad medžiaga gali išskirti pakankamai šilumos vandeniui virinti esant aplinkos sąlygoms, o tai buvo sunku pasiekti šioje tyrimų srityje.
„Vandens virimas yra daug energijos reikalaujantis procesas“, – teigė Nguyen. „Tai, kad galime virinti vandenį esant įprastoms sąlygoms, yra didelis pasiekimas.“
Ši technologija galiausiai galėtų būti pritaikyta įvairiems realaus pasaulio pritaikymams, įskaitant autonomines šildymo sistemas stovyklavimui ar vandens šildymui namuose. Kadangi medžiaga tirpsta vandenyje, tyrėjai teigia, kad kada nors ji gali cirkuliuoti per stogo saulės kolektorius dieną, o vėliau būti kaupiama talpyklose, kurios naktį išskiria šilumą.
„Naudojant saulės baterijas, energijai kaupti reikia papildomos akumuliatorių sistemos“, – sakė bendraautoris Benjaminas Bakeris, Han laboratorijos doktorantas. „Naudojant molekulinę saulės šiluminės energijos kaupimo sistemą, pati medžiaga gali kaupti šią saulės šviesos energiją.“
Projektas gavo paramą iš Moore stipendijos (Moore Inventor Fellowship), kuri 2025 m. buvo skirta Hanui, siekiant paspartinti šių įkraunamų saulės baterijų kūrimą.
Han P. Q. Nguyen, Alexander J. Maertens, Benjamin A. Baker, Nathan M.-W. Wu, Zihao Ye, Qingyang Zhou, Qianfeng Qiu, Navneet Kaur, David B. Berkinsky, Katherine E. Shulenberger, K. N. Houk, Grace G. D. Han. Molecular solar thermal energy storage in Dewar pyrimidone beyond 1.6 megajoules per kilogram. Science, 2026; 392 (6796) DOI: 10.1126/science.aec6413
VU mokslininkų tyrimai saulės energetikai padės žengti dar vieną žingsnį į priekį
Danga su „lotoso efektu“: KTU mokslininkai kuria saulės elementų efektyvumą didinančius sprendimus