Солнечные панели перестают вырабатывать электричество после захода солнца. Поэтому одна из главных проблем возобновляемой энергетики — как сохранить солнечную энергию на потом: для ночи или пасмурной погоды.
Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре считают, что нашли возможное решение. Оно может обойтись без огромных аккумуляторных систем и без постоянной зависимости от электросети.
В журнале Science команда доцента Грейс Хан описала новый материал. Он способен поглощать солнечный свет, сохранять эту энергию в химических связях, а затем отдавать ее в виде тепла, когда это нужно.
Материал основан на модифицированной органической молекуле под названием пиримидон. Это новый шаг в развитии технологии Molecular Solar Thermal, или MOST, — молекулярного хранения солнечного тепла.
«Концепция является многоразовой и перерабатываемой», — говорит Хан Нгуен, докторант группы Хан и ведущий автор исследования.
Он сравнивает идею с фотохромными очками. В помещении их линзы прозрачные. На солнце они темнеют сами, а затем снова становятся прозрачными внутри помещения.
По словам Нгуена, ученых интересует именно такой обратимый процесс. Только вместо изменения цвета они хотят использовать его для хранения энергии, ее высвобождения по запросу и повторного использования материала снова и снова.
Неожиданным источником вдохновения для исследователей стала ДНК. Структура пиримидона похожа на компонент, который естественным образом встречается в ДНК и может обратимо менять форму под действием ультрафиолетового света.
Используя синтетическую версию этой структуры, команда создала молекулу, которая может многократно запасать и отдавать энергию.
Чтобы понять, почему молекула остается стабильной и способна долго удерживать энергию, исследователи сотрудничали с профессором Кеном Хоуком из UCLA. Компьютерное моделирование помогло объяснить, как материал может сохранять накопленную энергию годами без значительных потерь.
«Мы сделали ставку на легкую и компактную молекулярную конструкцию», — говорит Нгуен. По его словам, команда убрала все лишнее, чтобы сделать молекулу максимально компактной.
В отличие от обычных солнечных панелей, которые напрямую превращают солнечный свет в электричество, новая система хранит энергию химически.
Молекула работает почти как сжатая пружина. Когда она поглощает солнечный свет, то переходит в напряженную высокоэнергетическую форму и остается в этом состоянии до активации.
Если затем подать триггер — например, немного тепла или катализатор, — молекула возвращается к исходной форме и выделяет накопленную энергию в виде тепла.
«Обычно мы описываем это как перезаряжаемую солнечную батарею», — говорит Нгуен. «Она хранит солнечный свет и может перезаряжаться».
У молекулы также высокая плотность энергии. По словам исследователей, она хранит более 1,6 мегаджоуля энергии на килограмм. Для сравнения, обычная литий-ионная батарея хранит около 0,9 мегаджоуля на килограмм. Новый материал также превзошел предыдущие поколения оптических переключателей для хранения энергии.
Важным испытанием стало практическое применение накопленной энергии. В экспериментах ученые показали, что материал может выделить достаточно тепла, чтобы вскипятить воду при обычных условиях. Для этой области исследований это было сложной задачей.
«Кипячение воды требует много энергии», — говорит Нгуен. «То, что мы можем вскипятить воду при обычных условиях, — большое достижение».
В будущем технология может найти разные применения. Например, ее можно использовать в автономных системах обогрева для кемпинга или в домашних системах нагрева воды.
Поскольку материал растворяется в воде, исследователи считают, что однажды он сможет циркулировать через солнечные коллекторы на крыше днем, а затем храниться в резервуарах и отдавать тепло ночью.
«С солнечными панелями вам нужна дополнительная батарея для хранения энергии», — говорит соавтор исследования Бенджамин Бейкер, докторант лаборатории Хан. «А при молекулярном хранении солнечного тепла сам материал способен запасать энергию солнечного света».
Проект получил поддержку Moore Inventor Fellowship. Эту стипендию Грейс Хан получила в 2025 году для развития таких «перезаряжаемых солнечных батарей».
