مولکولی جدید برای تقویت پتانسیل انرژی خورشیدی

خورشید نه تنها فراوان ترین منبع انرژی شناخته شده برای انسان است، بلکه تا زمانی که هنوز وجود دارد، بی نهایت قابل تجدید است. به تولید مقادیر شگفت‌انگیز انرژی به صورت روزانه، باران یا درخشش ادامه می‌دهد. انرژی خورشیدی را می توان به روش های مختلف جمع آوری و ذخیره کرد و استفاده از انرژی خورشیدی گازهای گلخانه ای منتشر نمی کند، که ممکن است به کاهش تاثیر تغییرات آب و هوایی کمک کند. به دلیل این دلایل، انرژی خورشیدی به طور گسترده‌تری به عنوان منبع اولیه انرژی تجدیدپذیر انتخاب می‌شود. زمان زیادی است که بشریت راه هایی برای استفاده موثرتر از انرژی خورشیدی پیدا کند - مانند نوآوری که در زیر توضیح داده شده است.

دستکاری نور خورشید

دو نوع اصلی انرژی خورشیدی وجود دارد: فتوولتائیک (PV) و انرژی خورشیدی متمرکز (CSP) که به عنوان انرژی حرارتی خورشیدی نیز شناخته می شود. فتوولتائیک ها با استفاده از سلول های خورشیدی در پنل های خورشیدی، نور خورشید را مستقیماً به برق تبدیل می کنند. انرژی متمرکز خورشیدی از نور خورشید برای گرم کردن مایعی استفاده می کند که بخار تولید می کند و توربین را برای تولید انرژی نیرو می دهد. PV در حال حاضر 98٪ از انرژی خورشیدی جهانی را تشکیل می دهد و CSP به عنوان 2٪ باقی مانده است.

PV و CSP از نظر نحوه استفاده، انرژی تولید شده و موادی که در ساخت آنها استفاده می شود متفاوت است. بازده انرژی تولید شده با PV با اندازه پنل خورشیدی ثابت می ماند، به این معنی که استفاده از پنل خورشیدی کوچکتر نسبت به پنل خورشیدی بزرگتر باعث افزایش سرعت تولید انرژی نمی شود. این به دلیل اجزای تعادل سیستم (BOS) است که در پنل های خورشیدی نیز استفاده می شود، که شامل سخت افزار، جعبه های ترکیبی و اینورترها می شود.

با CSP، بزرگتر بهتر است. همانطور که از گرمای پرتوهای خورشید استفاده می کند، هر چه بتوان نور خورشید بیشتری را جمع آوری کرد، بهتر است. این سیستم بسیار شبیه به نیروگاه های سوخت فسیلی است که امروزه استفاده می شود. تفاوت عمده این است که CSP از آینه هایی استفاده می کند که گرمای نور خورشید را برای گرم کردن مایعات (به جای سوزاندن زغال سنگ یا گاز طبیعی) منعکس می کند، که بخار را برای چرخاندن توربین ها تولید می کند. این همچنین باعث می‌شود که CSP برای نیروگاه‌های هیبریدی، مانند توربین گازی سیکل ترکیبی (CCGT)، که از انرژی خورشیدی و گاز طبیعی برای چرخاندن توربین‌ها و تولید انرژی استفاده می‌کنند، مناسب باشد. با CSP، انرژی خروجی از انرژی خورشیدی ورودی تنها 16 درصد برق خالص تولید می کند. خروجی انرژی CCGT حدود 55 درصد برق خالص تولید می کند که بسیار بیشتر از CSP به تنهایی.

از آغاز فروتنانه

Anders Bo Skov و Mogens Brøndsted Nielsen از دانشگاه کپنهاگ در حال تلاش برای توسعه مولکولی هستند که قادر به برداشت، ذخیره و انتشار انرژی خورشیدی کارآمدتر از PV یا CSP باشد. با استفاده از سیستم دی هیدروآزولن/وینیل هپتا فولون، به اختصار DHA/VHF، این جفت پیشرفت های زیادی در تحقیقات خود داشته اند. یکی از مشکلاتی که در ابتدا با آن مواجه شدند این بود که با افزایش ظرفیت ذخیره سازی مولکول های DHA/VHF، ظرفیت نگهداری انرژی در مدت زمان طولانی کاهش یافت. Mogens Brøndsted Nielsen، پروفسور دپارتمان شیمی، می‌گوید: «صرف نظر از اینکه برای جلوگیری از آن چه کردیم، مولکول‌ها شکل خود را تغییر می‌دهند و انرژی ذخیره‌شده را تنها پس از یک یا دو ساعت آزاد می‌کنند. دستاورد آندرس این بود که او توانست چگالی انرژی را در مولکولی دو برابر کند که می تواند شکل خود را برای صد سال حفظ کند. تنها مشکل ما در حال حاضر این است که چگونه می توانیم انرژی را دوباره آزاد کنیم. به نظر نمی رسد این مولکول می خواهد دوباره شکل خود را تغییر دهد."

از آنجایی که شکل مولکول جدید پایدارتر است، می‌تواند انرژی را برای مدت طولانی‌تری نگه دارد، اما کار با آن را نیز آسان‌تر می‌کند. یک محدودیت نظری برای مقدار انرژی که یک واحد مولکول مجموعه ای می تواند نگه دارد وجود دارد که به آن چگالی انرژی می گویند. از نظر تئوری 1 کیلوگرم (2.2 پوند) از یک به اصطلاح "مولکول کامل" می تواند 1 مگاژول انرژی را ذخیره کند، به این معنی که می تواند حداکثر مقدار انرژی را در خود نگه دارد و در صورت لزوم آن را آزاد کند. این انرژی تقریباً برای گرم کردن 3 لیتر (0.8 گالن) آب از دمای اتاق تا زمان جوش کافی است. همین مقدار از مولکول های Skov می تواند 750 میلی لیتر (3.2 لیتر) را از دمای اتاق تا زمان جوش در 3 دقیقه یا 15 لیتر (4 گالن) را در یک ساعت گرم کند. در حالی که مولکول های DHA/VHF نمی توانند به اندازه یک "مولکول کامل" انرژی ذخیره کنند، اما مقدار قابل توجهی است.

علم پشت مولکول

سیستم DHA/VHF از دو مولکول DHA و VHF تشکیل شده است. مولکول DHA مسئول ذخیره انرژی خورشیدی است و VHF آن را آزاد می کند. آنها این کار را با تغییر شکل هنگام معرفی محرک های خارجی انجام می دهند، در این مورد نور خورشید و گرما. هنگامی که DHA در معرض نور خورشید قرار می گیرد، انرژی خورشیدی را ذخیره می کند، با انجام این کار، مولکول شکل خود را به فرم VHF تغییر می دهد. با گذشت زمان، VHF گرما را جمع آوری می کند، هنگامی که به اندازه کافی جمع آوری شد، به فرم DHA خود باز می گردد و انرژی خورشیدی را آزاد می کند.

در پایان روز

آندرس بو اسکوف نسبت به این مولکول جدید هیجان زده است و دلیل خوبی هم دارد. با وجود اینکه هنوز نمی تواند انرژی آزاد کند، اسکوف می گوید: «در مورد ذخیره انرژی خورشیدی، بزرگترین رقابت ما از باتری های لیتیوم یونی است و لیتیوم یک فلز سمی است. مولکول من در حین کار نه CO2 و نه هیچ ترکیب شیمیایی دیگری آزاد نمی کند. این "نور خورشید در جریان برق" است. و هنگامی که یک روز این مولکول فرسوده می شود، به رنگی تبدیل می شود که در گل های بابونه نیز یافت می شود. این مولکول نه تنها در فرآیندی استفاده می‌شود که در طی استفاده از آن گازهای گلخانه‌ای کمی آزاد می‌کند یا اصلاً گازهای گلخانه‌ای آزاد نمی‌کند، بلکه زمانی که در نهایت تجزیه می‌شود به یک ماده شیمیایی خنثی تبدیل می‌شود که به طور طبیعی در محیط یافت می‌شود.