Химики изобрели молекулярную батарейку-хищника — она поглощает солнечный свет и извергает тепло по команде

Химики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре разработали молекулу, которая улавливает солнечный свет, запасает полученную энергию в химических связях на годы и по команде отдает ее в виде тепла. Выделяемой мощности хватает, чтобы вскипятить воду при обычных условиях. Работа относится к направлению Molecular Solar Thermal energy storage, сокращенно MOST. Здесь солнечное излучение не превращают в электричество, как в фотоэлектрических панелях, а «запирают» прямо в структуре вещества.

В основе лежит модифицированное соединение под названием пиримидон. Группа под руководством доцента Грейс Хан спроектировала его так, чтобы молекула вела себя как сжатая пружина. Под действием света она переходит в напряженную, высокоэнергетическую форму. В таком состоянии соединение остается стабильным долгое время. Когда добавляют катализатор или слегка повышают температуру, структура возвращается к исходному виду и высвобождает накопленную энергию в виде тепла.

Схема позволяет обходиться без аккумуляторов и без сложной сетевой инфраструктуры. Энергия хранится в компактной химической форме, а само вещество можно использовать многократно. Сами разработчики сравнивают принцип с фотохромными очками: на солнце линзы темнеют, в помещении снова становятся прозрачными. Там тоже работает обратимое преобразование, только в новом проекте меняется не цвет, а энергетическое состояние.

Подсказку для конструкции исследователи нашли в биохимии. Структура пиримидона похожа на один из компонентов ДНК, который способен обратимо перестраиваться под действием ультрафиолета. На этой базе собрали синтетический вариант с нужными свойствами. Чтобы проверить устойчивость и понять, как соединение удерживает запасенную энергию без самопроизвольного распада, подключили расчеты и компьютерное моделирование вместе со специалистами из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. При проектировании старались сделать формулу максимально компактной и убрать лишние фрагменты.

По измерениям авторов, удельная энергоемкость превышает 1,6 мегаджоуля на килограмм. Для сравнения, у типичных аккумуляторов показатель около 0,9 мегаджоуля на килограмм. Значение также выше, чем у предыдущих поколений оптических систем хранения энергии. В лабораторных испытаниях выделяемого тепла хватило, чтобы довести воду до кипения при комнатной температуре окружающей среды. Исследователи рассматривают такой результат как признак перехода от теоретических оценок к практическому применению.

Возможные сценарии использования включают автономные походные системы и нагрев воды в жилых домах. Поскольку вещество растворяется в воде, его можно прокачивать через коллекторы на крыше днем, накапливать запас в баке, а ночью запускать обратную реакцию и получать тепло. То есть в отличие от солнечных панелей, где требуется отдельный блок батарей, в подходе MOST функцию накопителя выполняет сам рабочий материал.