Новый полимер, обеспечивающий рекуперацию солнечного тепла на молекулярном уровне

Хотя солнце и является неисчерпаемым источником энергии, доступен этот источник только в течение светового дня, т. е. половину того времени, которое нам требуется. Для того чтобы солнце стало одним из основных источников энергии для удовлетворения потребностей человека, необходимо найти эффективный способ сбора и хранения его энергии, чтобы затем ее можно было использовать в ночное время и пасмурные дни или при необходимости. Сейчас основная деятельность ведется в направлении сбора и использования солнечной энергии для электропитания. Новая разработка может предоставить эффективный метод накопления солнечной энергии посредством химической реакции и отдачи ее в нужный момент в виде тепла, без хранения в виде нагретого теплоносителя и без промежуточного преобразования в электрическую энергию. Кроме того, такая наколенная энергия может быть легко перемещена и высвобождена в нужном месте и в нужный момент.

Разработка профессора Массачусетского технологического института Джефри Гроссмана (Jeffrey Grossman), младшего научного сотрудника Девида Житомирского (David Zhitomirsky) и студента магистратуры Юджина Чо (Eugene Cho) впервые была представлена в журнале Advanced Energy Materials [3]. По словам команды исследователей, ключевым моментом в длительном и стабильном процессе рекуперации является накопление солнечной энергии в «химической» форме, в противоположность сохранению в виде непосредственно тепла. Стоит учитывать, что какие бы теплоизоляционные материалы ни применялись, тепло всегда теряется, а при «химическом» способе хранения энергия находится в стабильном молекулярном состоянии и может быть извлечена в виде тепла путем приложения к нему небольшого количества тепла в виде спускового механизма — триггера. Для этого может использоваться внешнее небольшое тепловое воздействие (или световое, или электрическим током).

Основные компоненты этой технологии — молекулы, которые могут оставаться в двух различных состояниях длительное время. Когда молекулы подвергаются действию солнечного света, световая энергия переводит их в состояние «заряжено», и они могут оставаться в этом состоянии довольно длительное время. Затем, когда молекулы подвергаются внешнему воздействию на них заданной температурой, они переходят в свое первоначальное стандартное состояние, которое сопровождается отдачей тепла (рис. 1) [2].

Рис. 1. Процесс накопления солнечной энергии и отдачи тепловой энергии азобензолом

Для демонстрации этого процесса команда исследователей использовала платформу (рис. 2), в которой нагревательный элемент производил достаточно тепла, чтобы включить механизм нагрева в солнечном топливном элементе, в то время как инфракрасная камера фиксировала изменения температуры. При этом заряженная солнечной энергией пленка (справа) из материла STF продуцировала более высокую температуру, чем незаряженная (слева).

Рис. 2. Заряженная пленка (справа) продуцировала более высокую температуру, чем незаряженная пленка (слева)

Материал для хранения тепла под названием «солнечное тепловое топливо» (Solar Thermal Fuels, STF) был ранее разработан командой проф. Гроссмана и описан в работе [2]. По словам Житомирского, ранние исследования «имели ограниченную практическую ценность при применении в приложениях, требующих устойчивого твердого состояния материала». Это было связано с тем, что в результате предыдущих исследований был получен жидкий материал (фульвален, тетракарбонилдирутений), который не подходил для изготовления прочных пленок и, кроме того, содержал рутений — дорогой металл платиновой группы. В результате дальнейших исследований был выработан новый подход к решению этой проблемы, который позволил получить первый материал в твердом состоянии, в данном случае полимер, а также первый материал, использующий недорогое сырье и позволяющий применить широко распространенные технологии производства (рис. 3).

Рис. 3. Технология нанесения STF

Нанесение покрытия вращением позволяет сформировать пленочное покрытие из раствора полимерного материала STF. Затем пленка может быть легко заряжена ультрафиолетом. Для получения разных вариантов покрытия по толщине этот процесс может применяться многократно, нанесением его слой за слоем.

Как утверждает профессор университета Торонто Тед Саргент (Ted Sargent), который не был непосредственно вовлечен в процесс исследований, «данная работа одновременно представляет возможность как эффективного сбора энергии, так и ее хранения, используя в обоих случаях только лишь один материал».

Производство нового материала требует технологического процесса, состоящего всего из двух шагов, которые при этом «очень просты и легко масштабируемы», утверждает Чо. Системы, использующие предыдущую разработку, применялись для разработки «солнечной печи», которая могла накапливать солнечное тепло для последующего приготовления пищи уже после захода солнца. Однако, по словам Чо, «с этой печью возникли кое-какие трудности», и команда разработчиков осознала, что если данный материал реализовать в форме тонкой пленки, то его можно было бы «объединить со множеством различных материалов, включая стекло или даже ткань».

Для создания способной накапливать достаточное количество тепла пленки, производство которой должно быть простым и надежным процессом, команда разработчиков приступила к работе с материалом, называемым азобензол (азобензол C₆H₅N=NC₆H₅ — ароматическое азосоединение), который изменяет свои молекулярные связи под воздействием света. После воздействия светом, чтобы вернуть молекулярные связи в исходное положение, азобензол достаточно подвергнуть небольшому тепловому воздействию, что, в свою очередь, сопровождается выделением уже значительного количества тепла. Чтобы можно было запасти больше энергии в заданном объеме и достичь повышенной плотности энергии, исследователи модифицировали данный материал, и им удалось сформировать гладкий, однородный слой с возможностью активации путем подачи на него теплового импульса.

В результате был получен материал с очень высокой прозрачностью, который может быть использован, например, для борьбы с обледенением лобового стекла автомобиля, утверждает Гроссман. Как известно, большинство автомобилей для выполнения этой задачи используют нагревающиеся проводники, встраиваемые в заднее стекло автомобиля. Однако использовать что-либо, ограничивающее видимость через лобовое стекло, даже очень тонкие проводники, запрещено законом. А прозрачная пленка из нового материала, заключенная между двумя слоями стекла по технологии, аналогичной той, которая сейчас используется для нанесения полимера с целью предотвращения разлета осколков стекла при аварии, может предоставить такой же эффект для оттаивания стекла, как и нити нагрева, но без ограничения видимости (рис. 4). Немецкий производитель автомобилей BMW, который является спонсором данных исследований, высказал заинтересованность потенциальной возможностью использования данной технологии.

Рис. 4. Многослойный солнечный топливный полимер представляет собой пленку, выполненную из трех отдельных слоев (толщиной 4–5 мк каждая). Слои имеют перекрестные связи, что позволяет точно настраивать необходимую толщину пленки

«Энергия может накапливаться и сохраняться в полимере все время, пока автомобиль находится на солнце. Затем, когда вы «включите» полимер, используя небольшое количество тепла, которое может быть получено с помощью небольшой нити нагрева или воздействия небольшой струи теплого воздуха, вы получите буквально тепловой взрыв. Проведенные тесты показывают, что полимер производит достаточно тепла, чтобы растопить лед на лобовом стекле», — отмечает профессор Гроссман. Как показали тесты, на самом деле не требуется, чтобы лед был полностью растоплен, достаточно растопить небольшое его количество, расположенное непосредственно на стекле, что бы получить слой воды, который позволит остальному льду быть удаленным с помощью стеклоочистителей или просто под действием гравитации.

Эта технология, в том виде, в котором она существует уже сейчас, может быть настоящей находкой для электромобилей, которые тратят достаточно много энергии на нагрев и оттаивание, что уменьшает запас хода на 30% в холодных условиях. Как утверждает проф. Гроссман, новый полимер может значительно снизить эти потери.