Güneş enerjisi potansiyelini büyük ölçüde artıracak yeni molekül

Güneş sadece insanoğlunun bildiği en bol enerji kaynağı olmakla kalmaz, aynı zamanda orada olduğu sürece sonsuza kadar yenilenebilir. Yağmurda ya da güneşte, günlük olarak şaşırtıcı miktarda enerji üretmeye devam ediyor. Güneş enerjisi birçok farklı şekilde toplanabilir ve depolanabilir ve güneş enerjisinin kullanımı, iklim değişikliğinin etkisini azaltmaya yardımcı olabilecek sera gazı yaymaz. Bu nedenlerden dolayı güneş enerjisi, yenilenebilir enerji için birincil kaynak olarak daha yaygın bir şekilde seçilmektedir. İnsanlığın, aşağıda açıklanan yenilik gibi güneş enerjisini daha verimli kullanmanın yollarını bulması yalnızca bir zaman meselesidir.

Güneş ışığını manipüle etmek

İki ana güneş enerjisi türü vardır: fotovoltaikler (PV) ve termal güneş enerjisi olarak da bilinen konsantre güneş enerjisi (CSP). Fotovoltaikler, güneş panellerindeki güneş pillerini kullanarak güneş ışığını doğrudan elektriğe dönüştürür. Konsantre güneş enerjisi, buhar üreten ve enerji üretmek için bir türbine güç sağlayan bir sıvıyı ısıtmak için güneş ışığını kullanır. PV şu anda küresel güneş enerjisinin %98'ini, geri kalan %2'lik CSP'yi oluşturmaktadır.

PV ve CSP kullanım biçimlerine, üretilen enerjiye ve yapılarında kullanılan malzemelere göre farklılık gösterir. PV ile üretilen enerjinin verimliliği, güneş panelinin boyutuyla sabit kalır, yani daha büyük bir güneş paneli yerine daha küçük bir güneş paneli kullanmak, enerji üretim oranını artırmaz. Bunun nedeni, donanım, birleştirici kutular ve invertörleri içeren güneş panellerinde de kullanılan Sistem Dengesi (BOS) bileşenleridir.

CSP ile daha büyük daha iyidir. Güneş ışınlarından gelen ısıyı kullandığından, ne kadar fazla güneş ışığı toplanabilirse o kadar iyidir. Bu sistem günümüzde kullanılan fosil yakıtlı enerji santrallerine çok benzer. En büyük fark, CSP'nin güneş ışığından gelen ısıyı türbinleri döndürmek için buhar üreten (kömür veya doğal gaz yakmak yerine) ısı sıvılarına yansıtan aynalar kullanmasıdır. Bu aynı zamanda CSP'yi enerji üreten türbinleri döndürmek için güneş enerjisi ve doğal gaz kullanan kombine çevrim gaz türbini (CCGT) gibi hibrit tesisler için çok uygun hale getirir. CSP ile, gelen güneş enerjisinden elde edilen enerji çıkışı yalnızca %16 net elektrik üretir. CCGT enerji çıkışı, tek başına CSP'den çok daha fazla, ~%55 net elektrik üretir.

Mütevazi başlangıçlardan

Kopenhag Üniversitesi'nden Anders Bo Skov ve Mogens Brøndsted Nielsen, güneş enerjisini PV veya CSP'den daha verimli bir şekilde toplayabilen, depolayabilen ve serbest bırakabilen bir molekül geliştirmeye çalışıyorlar. Dihidroazulen/vinil hepta fulven sistemini, kısaca DHA/VHF'yi kullanan ikili, araştırmalarında büyük ilerleme kaydetti. Başlangıçta karşılaştıkları bir sorun, DHA/VHF moleküllerinin depolama kapasitesi arttıkça, enerjiyi uzun bir süre boyunca tutma kapasitesinin azalmasıydı. Kimya Bölümü'nden bir profesör olan Mogens Brøndsted Nielsen, "Bunu önlemek için ne yaparsak yapalım, moleküller sadece bir veya iki saat sonra şekillerini değiştirecek ve depolanan enerjiyi serbest bırakacaktır. Anders'in başarısı, şeklini yüz yıl boyunca tutabilen bir moleküldeki enerji yoğunluğunu ikiye katlamayı başarmasıydı. Şimdi tek sorunumuz, enerjiyi tekrar serbest bırakmayı nasıl sağlayacağımız. Molekül şeklini tekrar değiştirmek istemiyor gibi görünüyor.”

Yeni molekülün şekli daha kararlı olduğu için enerjiyi daha uzun süre tutabilir ama aynı zamanda onunla çalışmayı kolaylaştırır. Belirli bir molekül biriminin ne kadar enerji tutabileceğinin teorik bir sınırı vardır, buna enerji yoğunluğu denir. Teorik olarak 1 kilogram (2.2 pound) sözde "mükemmel molekül" 1 megajoule enerji depolayabilir, yani maksimum miktarda enerjiyi tutabilir ve gerektiğinde serbest bırakabilir. Bu, 3 litre (0.8 galon) suyu oda sıcaklığından kaynama noktasına kadar ısıtmak için yaklaşık olarak yeterli enerjidir. Aynı miktarda Skov molekülü, 750 mililitreyi (3.2 litre) oda sıcaklığından kaynama noktasına 3 dakikada veya 15 litreyi (4 galon) bir saatte ısıtabilir. DHA/VHF molekülleri, “mükemmel bir molekül” kadar enerji depolayamazken, önemli bir miktardır.

Molekülün arkasındaki bilim

DHA/VHF sistemi, DHA ve VHF olmak üzere iki molekülden oluşur. DHA molekülü güneş enerjisinin depolanmasından sorumludur ve VHF onu serbest bırakır. Bunu, dış uyaranlara, bu durumda güneş ışığına ve ısıya maruz kaldıklarında şekil değiştirerek yaparlar. DHA güneş ışığına maruz kaldığında güneş enerjisini depolar, bunu yaparak molekül şeklini VHF formuna değiştirir. Zamanla, VHF ısıyı toplar, yeterince topladığında DHA formuna geri döner ve güneş enerjisini serbest bırakır.

Günün sonunda

Anders Bo Skov, yeni molekül için oldukça heyecanlı ve haklı olarak. Henüz tam olarak enerji açığa çıkaramasa da Skov, “Güneş enerjisini depolamak söz konusu olduğunda, en büyük rekabetimiz lityum iyon pillerden geliyor ve lityum zehirli bir metal. Molekülüm çalışırken ne CO2 ne de başka bir kimyasal bileşik salmaz. Bu 'güç girişi-güç çıkışı'dır. Molekül bir gün eskidiğinde ise papatya çiçeğinde de bulunan bir renklendiriciye ayrışıyor.” Molekül, kullanımı sırasında çok az sera gazı salan veya hiç sera gazı salmayan bir süreçte kullanılmakla kalmaz, sonunda bunu çevrede doğal olarak bulunan inert bir kimyasala bozundurur.