Перезаряжаемые «солнечные батарейки» из углеродных нанотрубок

Солнечная энергия – неисчерпаемый источник энергии, примеры использования которой в последнее время множатся, как грибы после дождя. Общим ограничением, которое все пытаются обойти тем или иным способом, является его непостоянность, обусловленная всем известными естественными причинами. Ученые Массачусетского технологического института не стали исключением, за несколько лет исследований найдя свой инновационный способ запасания солнечной энергии впрок. В отличие от многих других – на срок длительный, стремящийся чуть ли не к бесконечности.

Сохранение солнечного тепла в химической форме – вместо преобразования его в электричество или хранения в тщательно изолированном контейнере – имеет существенные преимущества, поскольку в принципе химический материал может храниться довольно долгое время, не теряя запасенной в нем энергии. Подход был хорош всем, за исключением одного – химические вещества, необходимые для проведения этого преобразования и последующего обратимого хранения, либо разрушались за несколько циклов, либо включали редкий и дорогой элемент – рутений.

В прошлом году доценту Массачусетского технологического института Джеффри Гроссман и четырем соавторам его исследования удалось выяснить, каким именно образом эффективнейшее из этих веществ – фульвален-тетракарбонилдирутений (fulvalene diruthenium) – умудряется сохранять целостность на протяжении циклов и циклов преобразований. Тогда ученый заметил, что понимание этого процесса может помочь найти более дешевые альтернативы рутений-содержащим материалам. На сегодняшний день Джеффри Гроссману и постдоктору Алекси Колпак это удалось. Материалы их исследования были опубликованы в журнале Nano Letters.

Новый материал, изобретенный исследователями, создается с использованием углеродных нанотрубок (крошечных трубчатых образований из чистого углерода) в сочетании с соединением под названием “азобензол”. Образовавшиеся молекулы, полученные с использованием наноразмерных “формочек” для придания (и удерживания) нужной формы и структуры, получают «новые свойства, не характерные» для этих веществ, взятых в отдельности.

Это новое химическое соединение оказалось не только дешевле более ранних рутений-содержащих соединений, но и на порядок эффективнее в смысле соотношения хранимой энергии к объему вещества - удельная энергия в единице объёма в 10000 раз превышает предыдущие показатели. Таким образом, плотность энергии новинки, по словам Колпак, сравнима с таковой литий-ионной аккумуляторной батареи. Используя методы производства, оперирующие на наномасштабном уровне, «можно контролировать взаимодействия [молекул], повышая количество хранимой в них энергии и длительность этого хранения – и, что еще более важно, эти параметры можно регулировать независимо друг от друга», - заявила Алекси Колпак.

Термохимический метод хранения солнечной энергии заключается в использовании молекулы, структура которой изменяется под воздействием солнечного света, и может оставаться в таком (измененном) состоянии бесконечно. Следом под воздействием определенного движущего фактора – катализатора, небольшого изменения в температуре, вспышки света – такая молекула способна быстро восстановить свою изначальную форму, высвобождая запасенную энергию в виде температурного всплеска. Гроссман описывает это как создание перезаряжаемой тепловой «батарейки» со столь же длительным сроком годности (при хранении).

Одним из существенных преимуществ нового подхода является то, что он упрощает весь процесс, объединяя этапы «собирания» ее хранение солнечной энергии в один один-единственный шаг. «Мы получили материал, одновременно преобразующий и сохраняющий энергию – крепкий, не изнашивающийся и дешевый», – заявил Гроссман. Единственное ограничение метода заключается в том, что он приспособлен для подвода тепла, для получения же электричества тепло еще нужно будет преобразовать с помощью термоэлектрических устройств, паровых турбин или прочих подходящих технологий.

Хотя исследование посвящено возможностям хранения энергии в строго определенном типе молекул – функционализированных азобензолом углеродных нанотрубках – Гроссман заявил, что метод создания материала включает «общую концепцию, применимую ко многим новым материалам». «Многие из них уже синтезировались другими исследователями для других целей, нужно будет только отрегулировать их свойства для аккумулирования солнечного тепла», – уверен ученый.

Команда «активно исследует целый ряд новых веществ». И хотя к настоящему моменту они нашли только один многообещающий материал, Гроссман твердо убежден, что уже обнаруженное – это только верхушка айсберга, и перспективных направлений для исследований им хватит на годы вперед.

Источник: web.mit.edu

• < Энергия из воздуха – новый способ применения электромагнитных волн
• Искусственные листья обеспечат электроэнергией страны третьего мира >

Комментарии: