Încălzirea consumă aproape jumătate din energia utilizată la nivel global, iar două treimi din această cerere sunt acoperite prin arderea combustibililor fosili. Deși energia solară este o variantă evidentă, stocarea căldurii rămâne o problemă majoră. Dacă energia electrică poate fi păstrată relativ eficient în baterii litiu-ion, căldura este mult mai dificil de „capturat” pe termen lung.
Un nou studiu publicat în Science de cercetători de la universitățile California, Santa Barbara și UCLA propune o soluție diferită: un fluid molecular capabil să stocheze energia solară și să o elibereze sub formă de căldură la luni distanță. Conceptul poartă numele de stocare termică solară moleculară (MOST) și încearcă să transforme moleculele în baterii chimice reîncărcabile.
Inspirație din ADN
Ideea pornește din biologie, mai exact din modul în care radiația ultravioletă afectează ADN-ul. Când pielea este expusă excesiv la Soare, lumina UV poate face ca două baze de timină să se lege între ele, formând o leziune moleculară. O expunere suplimentară poate transforma această structură într-un izomer numit „Dewar”, o formă instabilă care deformează ADN-ul.
În organismele vii, o enzimă numită fotoliază repară această anomalie, readucând molecula la forma stabilă. Exact acest proces i-a inspirat pe chimiști: tranziția inversă eliberează o cantitate semnificativă de căldură. Cu alte cuvinte, izomerul Dewar poate funcționa ca o mini-baterie moleculară.
Un combustibil reîncărcabil
În mod tradițional, combustibilii sunt tot forme de energie solară stocată chimic. Petrolul, de exemplu, are o densitate energetică de aproximativ 40 MJ/kg, mult peste bateriile litiu-ion, care rareori depășesc 1 MJ/kg. Problema este că petrolul se consumă ireversibil prin ardere.
Cercetătorii conduși de Han P. Nguyen au încercat să creeze un „combustibil” reutilizabil. Ei au sintetizat un derivat al 2-pirimidonei, o rudă chimică a timinei din ADN, capabil să se transforme sub acțiunea luminii în izomerul Dewar și să revină ulterior la starea inițială, eliberând căldură la comandă.
Rezultatul este un sistem care poate fi încărcat de Soare, descărcat termic și apoi reîncărcat din nou, fără consum permanent al substanței active.
Saltul energetic
Sistemele MOST dezvoltate anterior aveau performanțe modeste. Substanțe studiate intens, precum norbornadiena sau azaborinina, atingeau densități energetice de 0,65–0,97 MJ/kg — insuficient pentru aplicații reale de încălzire.
Noul sistem pe bază de pirimidonă a ajuns la 1,65 MJ/kg, depășind atât materialele MOST anterioare, cât și bateriile litiu-ion. Secretul a fost ceea ce autorii numesc „tensiune compusă”: la absorbția luminii, molecula se răsucește într-o structură cu două inele de patru atomi, extrem de tensionate structural. Această tensiune reprezintă energia stocată, care este eliberată când molecula revine la forma relaxată.
Avantajul lichidului
O problemă majoră a sistemelor MOST a fost necesitatea dizolvării moleculelor în solvenți toxici, precum toluenul. Solvenții reduc drastic densitatea energetică, deoarece diluează combustibilul.
Echipa lui Nguyen a proiectat însă o variantă lichidă la temperatura camerei, eliminând nevoia solventului. Astfel, fluidul poate fi pompat prin colectoare solare, stocat în rezervoare și folosit ulterior într-un sistem de încălzire.
Un avantaj important este compatibilitatea cu apa. Dacă apar scurgeri, riscul toxic este mult mai mic comparativ cu soluțiile organice clasice. Cercetătorii au demonstrat chiar că eliberarea de energie este suficientă pentru a aduce apa la fierbere.
Într-un sistem practic, lichidul ar circula prin panouri solare pe acoperiș, s-ar încărca energetic și ar fi stocat într-un rezervor. Când este nevoie de căldură, combustibilul ar trece printr-o cameră de reacție unde un catalizator acid declanșează eliberarea energiei, care apoi încălzește apa instalației clasice de încălzire.
Limitele actuale
În ciuda progresului, există obstacole importante. Moleculele absorb doar radiație UV-A și UV-B (aprox. 300–310 nm), care reprezintă circa 5% din spectrul solar. Majoritatea energiei Soarelui — lumina vizibilă și infraroșul — nu este utilizată.
O altă problemă este randamentul cuantic scăzut: doar un număr mic de fotoni reușesc să transforme moleculele în starea de stocare. Asta înseamnă timpi mai lungi de încărcare. Cercetătorii suspectează existența unei „scurgeri” energetice interne, prin care molecula pierde energia sub formă de căldură imediată în loc să o stocheze.
De asemenea, în experimente catalizatorul acid era amestecat direct cu fluidul, ceea ce ar complica utilizarea practică. O soluție propusă este trecerea lichidului peste suprafețe solide acide, evitând contaminarea combustibilului.
Stabilitate impresionantă
Un punct forte major este stabilitatea. În multe sisteme chimice, energia se pierde spontan dacă temperatura crește. În cazul noilor izomeri Dewar, timpul de înjumătățire poate ajunge la 481 de zile la temperatura camerei. Practic, energia captată vara ar putea fi utilizată iarna, fără pierderi semnificative.
Testele au arătat și o degradare minimă după 20 de cicluri de încărcare-descărcare, semn că materialul ar putea funcționa pe termen lung.
Cât de aproape suntem de aplicații reale
Deși rezultatele reprezintă un progres important, tehnologia este încă departe de utilizarea pe scară largă. Pentru încălzirea locuințelor vor fi necesare molecule care absorb o porțiune mai mare din spectrul solar și care convertesc lumina în energie stocată cu eficiență mult mai mare.
Totuși, studiul arată că ideea bateriilor moleculare pentru căldură nu este doar o promisiune teoretică. Dacă problemele de eficiență vor fi rezolvate, un astfel de fluid ar putea permite, în viitor, stocarea energiei Soarelui din lunile calde pentru a încălzi locuințele în plină iarnă — fără ardere, fără emisii și fără pierderi masive.
Sursa: ArsTehnica
