Molekuli mpya ya kukuza uwezo wa nishati ya jua

Sio tu kwamba jua ndilo chanzo kikubwa zaidi cha nishati inayojulikana kwa mwanadamu, inaweza kufanywa upya kwa muda mrefu kama bado iko. Inaendelea kutoa kiasi cha kushangaza cha nishati kila siku, mvua au mwanga. Nishati ya jua inaweza kukusanywa na kuhifadhiwa kwa njia nyingi tofauti, na matumizi ya nishati ya jua haitoi gesi chafu, ambayo inaweza kusaidia kupunguza athari za mabadiliko ya hali ya hewa. Kwa sababu ya sababu hizi, nishati ya jua inazidi kuchaguliwa kama chanzo kikuu cha nishati mbadala. Ni suala la muda tu hadi ubinadamu utafute njia za kutumia nishati ya jua kwa ufanisi zaidi - kama vile uvumbuzi uliofafanuliwa hapa chini.

Kudhibiti mwanga wa jua

Kuna aina mbili kuu za nishati ya jua: photovoltaics (PV), na nishati ya jua iliyokolea (CSP), pia inajulikana kama nishati ya jua ya joto. Photovoltaiki hubadilisha jua moja kwa moja kuwa umeme kwa kutumia seli za jua kwenye paneli za jua. Nishati ya jua iliyokolea hutumia mwanga wa jua kupasha joto maji ambayo hutoa mvuke na kuwasha turbine kuunda nishati. PV kwa sasa inajumuisha 98% ya nishati ya jua duniani, na CSP ikiwa 2% iliyobaki.

PV na CSP hutofautiana katika njia zinazotumiwa, nishati inayozalishwa, na vifaa vinavyotumiwa katika ujenzi wao. Ufanisi wa nishati inayozalishwa na PV hukaa sawa na saizi ya paneli ya jua, ikimaanisha kuwa kutumia ndogo juu ya paneli kubwa ya jua hakutaongeza kiwango cha uzalishaji wa nishati. Hii ni kwa sababu ya vipengele vya Mizani-ya-Mfumo (BOS) ambavyo hutumika pia katika paneli za miale ya jua, ambavyo ni pamoja na maunzi, masanduku ya viunganishi na vibadilishaji umeme.

Kwa CSP, kubwa ni bora zaidi. Kadiri inavyotumia joto kutoka kwa miale ya jua, ndivyo mwanga wa jua unavyoweza kukusanywa vizuri zaidi. Mfumo huu unafanana sana na mitambo ya nishati ya mafuta inayotumika leo. Tofauti kuu ni kwamba CSP hutumia vioo vinavyoakisi joto kutoka kwa mwanga wa jua hadi vimiminika vya joto (badala ya kuchoma makaa ya mawe au gesi asilia), ambavyo hutoa mvuke kugeuza turbines. Hii pia inafanya CSP kufaa vyema kwa mimea mseto, kama vile turbine ya gesi ya mzunguko (CCGT), ambayo hutumia nishati ya jua na gesi asilia kugeuza turbines, kuzalisha nishati. Kwa CSP, pato la nishati kutoka kwa nishati ya jua inayoingia hutoa tu 16% ya jumla ya umeme. Pato la nishati ya CCGT hutoa ~ 55% ya umeme wa jumla, zaidi ya CSP pekee.

Kutoka mwanzo mnyenyekevu

Anders Bo Skov na Mogens Brøndsted Nielsen kutoka Chuo Kikuu cha Copenhagen wanajaribu kutengeneza molekuli ambayo inaweza kuvuna, kuhifadhi, na kutoa nishati ya jua kwa ufanisi zaidi kuliko PV au CSP. Kwa kutumia mfumo wa dihydroazulene/vinyl hepta fulvene, DHA/VHF kwa ufupi, jozi hao wamepiga hatua kubwa katika utafiti wao. Tatizo moja walilokumbana nalo mwanzoni ni kwamba kadiri uwezo wa kuhifadhi wa molekuli za DHA/VHF unavyoongezeka, uwezo wa kushikilia nishati hiyo kwa muda mrefu ulipungua. Mogens Brøndsted Nielsen, profesa kutoka Idara ya Kemia, alisema “Bila kujali tulifanya nini kuizuia, molekuli zingebadilisha umbo lao na kutoa nishati iliyohifadhiwa baada ya saa moja au mbili tu. Mafanikio ya Anders ni kwamba aliweza kuongeza mara mbili msongamano wa nishati katika molekuli ambayo inaweza kushikilia umbo lake kwa miaka mia moja. Shida yetu pekee sasa ni jinsi tunavyoipata ili kutoa nishati tena. Molekuli haionekani kutaka kubadili umbo lake tena.”

Kwa kuwa umbo la molekuli mpya ni thabiti zaidi inaweza kushikilia nishati kwa muda mrefu, lakini pia hurahisisha kufanya kazi nayo. Kuna kikomo cha kinadharia kwa kiasi gani cha nishati kitengo cha seti cha molekuli kinaweza kushikilia, hii inaitwa wiani wa nishati. Kinadharia kilo 1 (pauni 2.2) ya kinachojulikana kama "molekuli kamilifu" inaweza kuhifadhi megajoule 1 ya nishati, kumaanisha inaweza kushikilia kiwango cha juu cha nishati na kuifungua inapohitajika. Hii ni takriban nishati ya kutosha kupasha moto lita 3 (galoni 0.8) za maji kutoka joto la kawaida hadi kuchemsha. Kiasi sawa cha molekuli za Skov zinaweza joto mililita 750 (3.2 lita) kutoka kwa joto la kawaida hadi kuchemsha kwa dakika 3, au lita 15 (galoni 4) kwa saa moja. Ingawa molekuli za DHA/VHF haziwezi kuhifadhi nishati nyingi kama “molekuli kamilifu” inavyoweza, ni kiasi kikubwa.

Sayansi nyuma ya molekuli

Mfumo wa DHA/VHF unajumuisha molekuli mbili, DHA, na VHF. Molekuli ya DHA inawajibika kwa kuhifadhi nishati ya jua, na VHF inaitoa. Wanafanya hivyo kwa kubadilisha sura wakati wa kuletwa kwa uchochezi wa nje, katika kesi hii jua na joto. DHA inapoangaziwa na jua huhifadhi nishati ya jua, kwa kufanya hivyo molekuli hubadilisha umbo lake hadi umbo la VHF. Baada ya muda, VHF hukusanya joto, mara inapokusanya vya kutosha hurudi kwenye umbo lake la DHA na kutoa nishati ya jua.

Mwisho wa siku

Anders Bo Skov anafurahi sana juu ya molekuli mpya, na kwa sababu nzuri. Ingawa haiwezi kutoa nishati bado, Skov anasema "Inapokuja suala la kuhifadhi nishati ya jua, shindano letu kubwa hutoka kwa betri za lithiamu-ioni, na lithiamu ni chuma chenye sumu. Molekuli yangu haitoi CO2, wala misombo nyingine yoyote ya kemikali inapofanya kazi. Ni 'mwanga wa jua katika-nguvu nje'. Na molekuli inapochakaa siku moja, huharibika na kuwa rangi ambayo pia hupatikana katika maua ya chamomile. Sio tu kwamba molekuli hutumika katika mchakato ambao hutoa kidogo au hakuna gesi chafu wakati wa matumizi yake, wakati hatimaye inaharibu hufanya hivyo kuwa kemikali ya ajizi ambayo hupatikana kwa asili katika mazingira.