Учените разгадаха как да „запазят“ слънчевата топлина за зимата

Простото загряване на водата в слънчев колектор на покрива не съхранява топлина за дълго време. Би било чудесно да може да затоплите топлоносителя през лятото и да може да използвате тази топлина през зимата. Именно към това се стремят разработчиците на системи за съхранение на топлина, базирани на молекулярна топлинна инверсия, при която молекулите поглъщат енергия под въздействието на светлина и след това я отдават по контролиран начин. Дълго време не е имало пробиви в тази област, но сега нашата ДНК помогна в това начинание.

Изследователи от Калифорнийските университети в Санта Барбара и Лос Анджелис са разработили производно на 2-пиримидон – съединение, свързано с тимина в ДНК.

Идеята е заимствана от естествен процес: ултравиолетовата радиация причинява повреди в ДНК, които могат да се превърнат във високоенергийни изомери на Деуар. И докато при хората това може да доведе до рак, в системата за съхранение на топлина това е начин за съхраняване на енергия за дълъг период от време. В организма подобни повреди се поправят от специален ензим, докато в техническите системи енергията се освобождава с помощта на катализатори.

Синтезираната от изследователите молекула поглъща ултравиолетова светлина в диапазона UV-A и UV-B (приблизително 300-310 nm). Полученият изомер се характеризира с висока стабилност – периодът му на полуразпад достига 481 дни при стайна температура. Това дава възможност да се съхранява енергия в продължение на месеци без значителни загуби: да се акумулира през горещия юли и да се използва през студения януари.

Молекулата, която е течна при стайна температура се разтваря добре във вода, не изисква токсични органични разтворители и при експерименти издържа 20 цикъла на зареждане/разреждане с минимална деградация. Създадените преди това молекулярни топлоносители изискваха токсични разтворители и поради това губеха плътността на съхранената енергия, докато течният характер на новата молекула позволява тя да се използва в неразреден вид. Тя се разтваря във вода, което я прави лесна за отстраняване, например в случай на течове в дома.

Процесът на разтоварване (освобождаването на натрупаната топлина) се задейства чрез добавяне на киселинен катализатор.

Топлината преминава в топлообменник и отоплява къщата, но засега разработката има един недостатък: добавянето на катализатор разрежда топлоносителя и намалява плътността на натрупаната енергия. Учените все още не са решили този проблем, така че катализаторът да остане отделен от основния обем.

Въпреки това рекордните резултати, постигнати при експериментите правят разработката изключителна: плътността на съхранената енергия достига 1,65 MJ/kg, което е почти два пъти повече от тази на литиево-йонните батерии (по-малко от 1 MJ/kg) и далеч надминава предишните молекулярни материали (норборнадиен – 0,97 MJ/kg, азоборинин – 0,65 MJ/kg). Това открива перспективи за компактно сезонно съхранение на слънчева топлина, особено за отопление на сгради: течността може да циркулира през слънчевите колектори на покрива, да се зарежда, да се съхранява в резервоари в мазета и да преминава през катализатор, когато е необходимо, за да се прехвърли топлина към системата за отопление или топла вода.

Предложеният подход се позиционира като екологична алтернатива на традиционните горива за зимния период. Въпреки впечатляващите резултати, технологията има ограничения, които възпрепятстват незабавното ѝ пускане на пазара. Молекулата оползотворява само около 5% от слънчевия спектър (само тесния ултравиолетов диапазон), не реагира на видимата светлина и инфрачервеното излъчване, а ефективността на квантовото преобразуване остава ниска (реагира само няколко фотона от всеки 100), което изисква продължително облъчване. Освен това използването на киселинен катализатор усложнява системата и изисква допълнителни стъпки за неутрализирането му. Авторите подчертават необходимостта от по-нататъшни подобрения – разширяване на спектъра на поглъщане и опростяване на механизма на разреждане, за да се направи технологията практически приложима в реални условия.