Углеродные нанотрубки помогут сохранять солнечную энергию
 Трехмерная модель разработанной фото-переключаемой молекулы. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Принцип действия солнечного теплового «аккумулятора» заключается в сохранении тепловой энергии солнца за счет химических связей молекул. Описать свойства этого вещества проще всего на примерах. К примеру, вещество (солнечный «аккумулятор») в «нулевом» состоянии А поглощает солнечную энергию, за счет чего его молекулы переходят в состояние Б. При этом изменяется только геометрия самих молекул, химических реакций не происходит. К слову, такие молекулы называют «фото-переключаемыми». Молекулы менее стабильны в состоянии Б, т.к. имеют более высокую энергию. Разница энергий всех молекул вещества в состояниях Б и А – это то количество энергии, которое может быть запасено подобным «аккумулятором».
Несмотря на то, что состояние А является более стабильным, чем Б, можно обеспечить условия, при которых молекула неограниченно долго остается в состоянии Б, пока не сработает «спуск», передающий достаточный объем энергии для перехода обратно в состояние А. Роль «спуска» в данном случае может играть свет, тепло или внешнее напряжение. При обратном переходе молекул из состояния Б в состояние А накопленная энергия высвобождается в виде тепла. В дальнейшем это тепло можно использовать для кипячения воды или выработки электроэнергии. После выделения накопленной энергии, вещество может «перезаряжаться» с помощью солнечного света; при этом в случае с «идеальным аккумулятором» цикл может повторяться до бесконечности, без потери производительности (как это происходит в электрических аккумуляторах).
Большое количество подобных систем было разработано в 1970-х – 1980-х годах. Однако все известные системы быстро деградировали (с каждым циклом «перезарядки»). В настоящее время известна лишь одна система, которая могла бы работать достаточно много циклов, но в ее основе лежит редкий и дорогой рутений.
В качестве принципиально новой основы для солнечного «аккумулятора» ученые из Massachusetts Institute of technology (MIT, США) предложили использовать системы, состоящие из углеродных нанотрубок, модифицированных с помощью азобензола. В данном случае нанотрубки используются для того чтобы обеспечить взаимодействие между двумя молекулами азобензола. Данное взаимодействие и является ключом к совершенно новым химическим состояниям с длительными сроками существования. Вычисления показывают, что подобные системы могут сохранять гораздо больше (в 10 тысяч раз) энергии, чем известные на сегодняшний день солнечные «аккумуляторы» на базе рутения. Столь высокая плотность энергии, если она будет доказана на эксперименте, приведет к более широкому использованию солнечных «аккумуляторов» в реальных задачах.
На сегодняшний день команда только начала синтезировать и тестировать разработанное соединение. Правда, ученые сами признают, что есть еще достаточно много проблем, которые надо решить до того, как решение может попасть в коммерческую эксплуатацию.
Ученые считают, что в своем исследовании они задействовали лишь одно из возможных веществ, обладающих таким потенциалом. Они считают, что сходные свойства можно обнаружить при сочетании углеродных нанотрубок с другими известными хромофорами (веществами, поглощающими солнечный свет).
Также по теме:
- Углеродная нанотрубка – новый инструмент клеточного биолога
- Нанотрубки в качестве химических датчиков
Источники: