ابتكر الكيميائيون في جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا، مركبًا عضويًا غير عادي يمكنه امتصاص ضوء الشمس، والاحتفاظ به في روابط كيميائية لسنوات، ثم إطلاق الطاقة المتراكمة على شكل حرارة عند الإشارة. وفي الاختبارات المعملية، كانت هذه الحرارة كافية لغلي الماء في درجة حرارة الغرفة. ونشرت نتائج الدراسة في المجلة علوم.

تنتمي المادة إلى اتجاه التخزين الجزيئي للطاقة الحرارية الشمسية (تخزين الطاقة الحرارية الشمسية الجزيئية، MOST). على عكس الألواح الشمسية، حيث يتم تحويل الضوء أولاً إلى كهرباء ثم يتم تخزينه في البطاريات، هنا يتم التقاط الطاقة مباشرة في بنية الجزيء.

يتصرف الجزيء، الذي طوره فريق البروفيسور المشارك جريس هان، مثل زنبرك مضغوط. تحت تأثير الضوء، يتغير تكوينه ويدخل في حالة أكثر نشاطًا. في هذا النموذج، يمكن أن يظل الاتصال مستقرًا لفترة طويلة. عند تسخينه أو إضافة محفز، فإنه يعود إلى شكله الأصلي ويطلق الحرارة.

تم استخدام محفز حمضي في التجربة: عاد ما يسمى بأيزومر ديوار إلى حالة مستقرة، مصحوبًا بإطلاق حاد للحرارة. تم نقل الطاقة إلى الماء حيث تم إذابة الجزيء، وتم تسخين حوالي 0.5 مل من السائل حتى الغليان بدون مصدر حرارة خارجي.

يتيح لك هذا النهج الاستغناء عن بطاريات منفصلة: تعمل المادة نفسها كحامل ومخزن للطاقة.

“المفهوم قابل لإعادة الاستخدام وإعادة التدوير،” يوضح طالب الدراسات العليا هان نجوين، المؤلف الرئيسي للورقة البحثية.

ويشبه النظارات الشمسية الفوتوكرومية: في الشمس تصبح العدسات داكنة، لكنها تصبح شفافة مرة أخرى في الداخل. هذا تغيير عكسي للحالة. في هذه الحالة، يتم تطبيق مبدأ مماثل ليس لتغيير اللون، ولكن لتجميع الحرارة وإطلاقها بطريقة خاضعة للرقابة.

كان أساس المركب بيريميدون، وهو جزيء يذكرنا من الناحية الهيكلية بأحد مكونات الحمض النووي. تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية، يمكن لهذه الأجزاء تغيير التكوين ثم العودة إلى حالتها الأصلية.

باستخدام عمليات المحاكاة الحاسوبية التي أجريت مع الكيميائي كين هوك من جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس، اختار الباحثون هيكلًا يجمع بين الاستقرار وكثافة الطاقة العالية.

يقول نغوين: “كنا نهدف إلى جعل الجزيء مضغوطًا قدر الإمكان وإزالة جميع العناصر الهيكلية التي لا تساهم في تخزين الطاقة”.

تتجاوز كثافة التخزين 1.6 ميغاجول لكل كيلوغرام. وبالمقارنة، تبلغ قراءة بطارية الليثيوم أيون النموذجية حوالي 0.9 ميغا جول لكل كيلوغرام. على أساس الكتلة، يمكن للمركب أن يحمل ما يقرب من ضعف الطاقة.

مخطط العمل هو كما يلي: يحول الضوء الجزيء إلى حالة أكثر تشبعًا بالطاقة؛ تؤدي إضافة الحمض إلى بدء التحول العكسي مع إطلاق الحرارة. هذا يكفي لجلب كمية صغيرة من الماء ليغلي.

يقول نغوين: “إن غلي الماء عملية كثيفة الاستهلاك للطاقة. والقدرة على القيام بذلك في ظل الظروف العادية تؤكد فعالية هذا النهج”.

يقوم المؤلفون بمراجعة أنظمة التدفئة المحمولة، والوحدات المستقلة، والحلول المنزلية. وبما أن المادة قابلة للذوبان في الماء، فيمكن ضخ المحلول من خلال مجمعات الطاقة الشمسية: خلال النهار تتراكم الطاقة، وفي الليل تطلقها على شكل حرارة.

ويؤكد المؤلف المشارك بنيامين بيكر أنه في هذه التكنولوجيا تعمل المادة نفسها كجهاز تخزين، بدون نظام بطارية منفصل.

ولا تزال الطريقة في مرحلة مبكرة من التطوير. ومع ذلك، تظهر النتائج أنه يمكن تخزين الطاقة الشمسية ليس فقط في البطاريات، ولكن أيضًا بشكل مباشر في التركيب الكيميائي للمادة، مما قد يفتح طريقًا بديلاً لأنظمة تخزين الطاقة.