Isıtma, küresel enerji talebinin neredeyse yarısını oluşturuyor ve bunun üçte ikisi doğalgaz, petrol ve kömür gibi fosil yakıtların yakılmasıyla karşılanıyor. Güneş enerjisi potansiyel bir alternatif sunsa da, güneş elektriğini lityum-iyon pillerde depolamak konusunda ilerleme kaydederken, ısıyı depolama konusunda aynı başarıyı yakalayamadık.
Isıyı günler, haftalar veya aylar boyunca depolamak için, enerjiyi daha sonra talep edildiğinde ısıyı serbest bırakabilen bir molekülün bağlarında hapsetmeniz gerekir. Bu özel kimya problemine yönelik yaklaşıma moleküler güneş termal (MOST) enerji depolama adı veriliyor. Yıllardır büyük bir gelişme olarak görülse de, tam anlamıyla hayata geçemedi.
Yakın zamanda yayımlanan bir bilimsel yayında, Kaliforniya Üniversitesi, Santa Barbara ve UCLA'dan bir araştırma ekibi, MOST enerji depolamayı nihayet etkili hale getirebilecek bir atılımı ortaya koydu.
DNA Bağlantısı
Geçmişte MOST enerji depolama çözümleri, yetersiz performanslarıyla göze çarpıyordu. Moleküller yeterli enerji depolamıyor, çok hızlı bozuluyor veya pratik olmayan toksik çözücüler gerektiriyordu. Bu sorunların üstesinden gelmenin bir yolunu bulmak için, Kaliforniya Üniversitesi, Santa Barbara'dan kimyager Han P. Nguyen'in liderliğindeki ekip, güneş yanıklarının neden olduğu genetik hasardan ilham aldı. Fikir, UV ışığının DNA'ya zarar verme reaksiyonuna benzer bir reaksiyon kullanarak enerji depolamaktı.
Sahilde çok uzun süre kalındığında, yüksek enerjili ultraviyole ışık, DNA'daki bitişik bazların (genetik kodundaki 'T' olan timin) birbirine bağlanmasına neden olabilir. Bu, (6-4) lezyonu olarak bilinen bir yapı oluşturur. Bu lezyon daha fazla UV ışığına maruz kaldığında, 'Dewar' izomeri adı verilen daha da tuhaf bir şekle dönüşür. Biyolojide bu, pek iyiye işaret değildir, çünkü Dewar izomerleri DNA'nın sarmal yapısında bükülmelere neden olarak DNA kopyalanmasını bozar ve mutasyonlara veya kansere yol açabilir.
Bu etkiyi dengelemek için evrim, (6-4) lezyonlarını avlayıp onları güvenli, kararlı formlarına geri döndürmek için fotolyaz adlı özel bir enzim geliştirdi.
Araştırmacılar, Dewar izomerinin temel olarak bir moleküler pil olduğunu fark ettiler. Bu geri dönme etkisi, çok fazla ısı saldığı için Nguyen'in ekibinin aradığı tam da buydu.
Şarj Edilebilir Yakıt
Prensipte, moleküler piller enerji depolama konusunda son derece iyidir. Muhtemelen ısıtma için kullandığımız en popüler moleküler pil olan ısıtma yağı, temel olarak kimyasal bağlarda depolanmış eski güneş enerjisidir. Enerji yoğunluğu yaklaşık 40 Megajul/kg'dır. Perspektif olarak, lityum-iyon piller genellikle 1 MJ/kg'dan az enerji içerir. Ancak ısıtma yağıyla ilgili sorunlardan biri, tek kullanımlık olmasıdır - kullanıldığında yakılır. Nguyen ve meslektaşlarının DNA'dan ilham alan maddeleriyle başarmayı amaçladıkları şey, temel olarak yeniden kullanılabilir bir yakıttır.
Bunu yapmak için araştırmacılar, DNA'da bulunan timinin kimyasal bir akrabası olan 2-pirimidonun bir türevini sentezlediler. Bu molekülü, güneş ışığı altında güvenilir bir şekilde bir Dewar izomerine katlanıp sonra komut üzerine açılacak şekilde tasarladılar. Sonuç, güneş ışığına maruz kaldığında enerjiyi emebilen, ihtiyaç duyulduğunda serbest bırakabilen ve tekrar şarj edilmeye hazır 'rahatlamış' bir duruma dönebilen şarj edilebilir bir yakıt oldu.
MOST sistemlerinin önceki girişimleri, lityum-iyon pillerle rekabet etmekte zorlanmıştı. En iyi incelenen adaylardan biri olan norbornadiyen, yaklaşık 0.97 MJ/kg ile sınırlı kalıyordu. Başka bir rakip olan azaborinin ise sadece 0.65 MJ/kg'a ulaşabiliyordu. Bilimsel olarak ilginç olsalar da, evinizi ısıtmak için yeterli değildiler.
Nguyen'in pirimidon bazlı sistemi, bu rakamları geride bıraktı. Araştırmacılar, lityum-iyon pillerin neredeyse iki katı ve önceki MOST materyallerinin önemli ölçüde üzerinde, 1.65 MJ/kg'lık bir enerji depolama yoğunluğu elde ettiler.
Çift Halkalar
Bu performans artışının nedeni, ekibin 'bileşik gerilim' olarak adlandırdığı şeydi.
Pirimidon molekülü ışığı emdiğinde sadece katlanmaz; iki farklı dört üyeli halkayı içeren kaynaşmış, bisiklik bir yapıya bükülür: 1,2-dihidroazet ve diazetidin. Dört üyeli halkalar muazzam bir yapısal gerilim altındadır. Bunları birbirine kaynaştırarak, araştırmacılar rahatlamış hallerine geri dönmeye can atan bir molekül yarattılar.
Kağıt üzerinde yüksek enerji yoğunluğu elde etmek bir şeydir. Gerçek dünyada işe yarar hale getirmek başka bir şey. Önceki MOST sistemlerinin önemli bir kusuru, çözünmesi gereken katılar olmaları ve çalışmak için toluen veya asetonitril gibi çözücülerde çözülmeleri gerekiyordu. Çözücüler, enerji yoğunluğunun düşmanıdır - yakıtınızı örneğin yüzde 10 konsantrasyona seyreltmek, enerji yoğunluğunuzu etkili bir şekilde yüzde 90 azaltır. Kullanılan her çözücü, daha az yakıt anlamına gelir.
Nguyen'in ekibi, oda sıcaklığında sıvı olan bir molekül versiyonunu tasarlayarak bu sorunu çözdü, böylece çözücüye ihtiyaç duymadı. Bu, işlemleri önemli ölçüde basitleştirdi, çünkü sıvı yakıt, bir güneş toplayıcıdan pompalanarak şarj edilebilir ve bir depoda saklanabilirdi.
Birçok suyu sevmeyen organik molekülün aksine, Nguyen'in sistemi sulu ortamlara uyumludur. Bu, bir boru sızdırırsa, evinizin etrafına toluen gibi toksik sıvılar yaymayacağınız anlamına gelir. Araştırmacılar, molekülün suda bile çalışabildiğini ve enerji salınımının onu kaynatacak kadar yoğun olduğunu gösterdiler.
Ekibin makalesinde belirttiği gibi, MOST tabanlı ısıtma sistemi, güneş ışığını yakalamak için çatıdaki panellerden dolaştırılan bu şarj edilebilir yakıtı ve ardından bodrumdaki depoda depolanmasını sağlayacaktır. Daha sonra bu depodaki yakıt, enerjiyi serbest bırakmayı tetikleyen bir asit katalizörü içeren bir reaksiyon odasına pompalanacaktır. Daha sonra bir ısı değiştirici aracılığıyla, bu enerji standart merkezi ısıtma sistemindeki suyu ısıtacaktır.
Ancak bir pürüz var.
Sızıntıyı Aramak
İlk engel, Nguyen'in yakıtına enerji koyan ışık spektrumudur. Güneş, ultraviyoleden kızılötesine kadar geniş bir ışık spektrumuyla bizi aydınlatır. İdeal olarak, bir güneş toplayıcı bunun mümkün olduğunca çoğunu kullanmalıdır, ancak pirimidon molekülleri sadece UV-A ve UV-B aralığında, yaklaşık 300-310 nm'de ışığı emer. Bu, toplam güneş spektrumunun yaklaşık yüzde beşini temsil eder. Güneş enerjisinin büyük çoğunluğu olan görünür ışık ve kızılötesi, onları şarj etmeden Nguyen'in moleküllerinin içinden geçer.
İkinci sorun kuantum verimidir. Bu, "Moleküle çarpan her 100 foton için, kaç tanesi Dewar izomeri durumuna geçmeyi başarıyor?" sorusunu sormanın süslü bir yoludur. Bu pirimidonlar için cevap, oldukça mütevazı bir rakam olan tek hanelerde. Düşük kuantum verimi, sıvının tam bir şarj elde etmek için güneş ışığına daha uzun süre maruz kalması gerektiği anlamına gelir.
Araştırmacılar, molekülün hızlı bir sızıntısı olduğunu, yani uyarılmış molekülün enerjiyi depolama formuna bükülmek yerine hemen ısı olarak attığı bir radyasyonsuz bozunma yolu olduğunu varsayıyorlar. O sızıntıyı kapatmak, ekibin bir sonraki büyük zorluğudur.
Son olarak, ekip deneylerinde depolama malzemesine doğrudan karıştırılan bir asit katalizörü kullandı. Ekip, gelecekteki kapalı döngü bir cihazda, bunun bir nötralizasyon adımı gerektireceğini kabul ediyor - ısı salındıktan sonra asitliği ortadan kaldıran bir reaksiyon. Reaksiyon ürünleri saflaştırılamazsa, bu sistemin enerji yoğunluğunu azaltacaktır.
Yine de, verimlilik sorunlarına rağmen, Nguyen'in sisteminin kararlılığı umut verici görünüyor.
MOST Depolama?
Kimyasal depolama ile ilgili en büyük korkulardan biri termal geri dönüştür—yakıt, depolama tankında biraz fazla ısındığı için kendiliğinden deşarj olur. Ancak pirimidonların Dewar izomerleri inanılmaz derecede kararlıdır. Araştırmacılar, bazı türevler için oda sıcaklığında 481 güne kadar yarı ömür hesapladılar. Bu, yakıtın Temmuz sıcağında şarj edilebileceği ve evin Ocak ayında ısıtılması gerektiğinde tam şarjlı kalacağı anlamına gelir. Bozunma rakamları da bir MOST enerji depolama için iyi görünüyor. Ekip, sistemi 20 şarj-deşarj döngüsü boyunca ihmal edilebilir bir bozulma ile çalıştırdı.
Asidi yakıttan ayırma sorunu, pratik bir sistemde farklı bir katalizöre geçilerek çözülebilir. Bilim insanları, bu hipotetik kurulumda, yakıtın ısıyı serbest bırakmak için asit fonksiyonlu katı bir yüzeyden akacağını, böylece sonrasında nötralizasyon ihtiyacını ortadan kaldıracağını öne sürüyorlar.
Yine de, gerçek evleri ısıtmak için MOST sistemleri kullanmaktan oldukça uzağız. Oraya ulaşmak için, ışık spektrumunun çok daha fazlasını emen ve daha yüksek verimlilikle aktive duruma geçen moleküllere ihtiyacımız olacak. Henüz orada değiliz.
