În contextul tranziției energetice globale, una dintre cele mai persistente provocări ale energiei solare rămâne intermitența: producția de energie se oprește odată cu apusul, iar stocarea eficientă este încă dependentă de baterii voluminoase și costisitoare. Însă cercetătorii de la University of California, Santa Barbara, au dezvoltat o baterie solară pe baza unei molecule organice capabile să capteze energia solară, să o stocheze ani de zile și să o elibereze ulterior sub formă de căldură, la cerere.
Energia solară convențională se bazează pe conversia fotovoltaică a luminii în electricitate. Totuși, stocarea acestei energii rămâne o verigă slabă a sistemului energetic regenerabil. Bateriile litiu-ion domină piața, dar implică limitări legate de cost, densitate energetică și durabilitate.
În acest peisaj, cercetătorii explorează o abordare alternativă: stocarea moleculară termică solară (MOST – Molecular Solar Thermal). Conceptul presupune captarea energiei luminoase direct în legături chimice, unde poate rămâne stabilă perioade îndelungate și poate fi eliberată ulterior sub formă de căldură. Noua descoperire se înscrie în această direcție emergentă.
Molecula-cheie: pirimidona modificată
Echipa condusă de prof. Grace Han a creat o moleculă organică compactă, derivată din pirimidonă, care funcționează ca un sistem MOST avansat.
Inovația are rădăcini în biologie. Cercetătorii s-au inspirat din structurile de ADN care suferă transformări reversibile sub acțiunea radiației ultraviolete (UV). Prin inginerie moleculară, ei au obținut o versiune sintetică optimizată pentru captarea eficientă a luminii solare, stabilitate pe termen lung și eliberarea controlată a energiei.
Modelările computaționale realizate împreună cu specialiști de la UCLA au explicat de ce molecula poate păstra energia timp de ani fără degradare semnificativă.
Mecanismul de funcționare: un „arc molecular”
Funcționarea sistemului este elegantă și analogică. Molecula se comportă ca un arc mecanic microscopic:
- Absorbția luminii – radiația solară determină molecula să se răsucească într-o configurație tensionată, bogată energetic;
- Stocarea – această formă metastabilă rămâne blocată, păstrând energia în legături chimice;
- Declanșarea – aplicarea unui stimul (căldură ușoară sau catalizator) readuce molecula la starea inițială.
- Eliberarea – energia acumulată este degajată sub formă de căldură.
Procesul este reversibil și reutilizabil, asemănător cu modul în care ochelarii fotocromici își schimbă transparența în funcție de lumină – analogie folosită chiar de autorii studiului.
Cea mai impresionantă caracteristică a noii molecule este densitatea energetică. Materialul atinge peste 1,6 MJ/kg, aproximativ dublu față de o baterie litiu-ion tipică (~0,9 MJ/kg).
Această valoare este semnificativă din mai multe motive, deoarece demonstrează competitivitatea energetică a stocării moleculare, depășește generațiile anterioare de comutatori optici și sugerează viabilitate pentru aplicații practice.
Mai mult, cercetătorii au arătat experimental că energia eliberată este suficientă pentru a aduce apa la fierbere, un prag energetic considerat dificil de atins în domeniul MOST.
Din laborator la aplicații reale
Demonstratia fierberii apei marchează trecerea de la validare teoretică la potențial aplicativ. Posibile utilizări ar putea fi în încălzirea off-grid (camping, zone izolate), sistemele rezidențiale de încălzire a apei, stocarea termică integrată în clădiri.
Un avantaj major este că molecula este solubilă în apă, ceea ce permite concepte inginerești simple: fluidul ar putea circula prin colectoare solare montate pe acoperiș pentru „încărcare” diurnă și apoi ar putea fi stocat în rezervoare pentru utilizare nocturnă.
Această abordare elimină necesitatea bateriilor separate – materialul însuși devine mediul de stocare a energiei.
Limitări și provocări
Deși promițătoare, tehnologia se află încă în stadiu experimental. Cercetătorii prezintă câteva provocări implicite:
- scalarea producției moleculare la nivel industrial;
- optimizarea costurilor de sinteză;
- integrarea în sisteme energetice reale;
- gestionarea eficienței ciclurilor repetate pe termen foarte lung.
În plus, materialul produce căldură, nu direct electricitate, ceea ce îl face ideal pentru aplicații termice, dar mai puțin potrivit pentru alimentarea directă a dispozitivelor electrice, fără o conversie suplimentară.
Descoperirea se înscrie într-un trend mai amplu de diversificare a tehnologiilor de stocare energetică. Dacă bateriile electrochimice domină aplicațiile electrice, sistemele MOST ar putea deveni complementare pentru managementul căldurii în clădiri, procese industriale termice, aplicații off-grid.
Prin depășirea pragului practic de performanță (fierberea apei), studiul sugerează că stocarea moleculară a energiei solare se apropie de maturitatea tehnologică.
Sursa: Tech Xplore