گامی در مسیر استفاده مداوم از انرژی خورشید

زیست نیوز، محمد مهدی حیدرپور - در حال حاضر، دستگاه های فتوولتائیک ارزان ترین و کارآمدترین روش برای برداشت انرژی از نور خورشید محسوب می شوند. اما در این روش انرژی در نهایت به شکل برق در می آید که برای ذخیره آن به شیوه ای مقرون به صرفه با محدودیت مواجه هستیم. انرژی خورشید گرمایی روشی جایگزین است که انرژی خورشیدی را به گرما تبدیل کرده و می تواند از آن گرما برای تداوم تولید نیرو به مدت چندین ساعت پس از غروب خورشید استفاده کند. اما این شرایط نیز برای مبدل کردن خورشید به یک منبع انرژی 24 ساعته کافی نیست.

پژوهشگران در حال حاضر گزینه سومی را مد نظر قرار داده که می تواند پتانسیل ذخیره انرژی به طور نامحدود را داشته باشد. سوخت خورشید گرمایی به رغم اسم خود همانند سوخت های سنتی نیست. به جای شکستن مولکول سوخت از طریق احتراق، سوخت های خورشید گرمایی با بازآراستن پیوندها در یک مولکول حرارت آزاد کرده و کاری با اتم ها ندارند. در نتیجه، آنها بارها و بارها قابلیت بازیافت دارند - به عنوان مثال، تیم پژوهشی بدون افت عملکرد بیش از 2 هزار چرخه را انجام داده اند.

چگونه می توان بدون شکستن هیچ گونه پیوندی انرژی را به یک مولکول وارد و یا خارج کرد؟ در این مورد، پژوهشگران با مشتقات ماده ای شیمیایی به نام آزوبنزن کار کرده اند. پیوند دو گانه بین دو نیتروژن پیوندهای باقیمانده را وادار می کند در یک از دو شکلی که در ادامه معرفی می شوند، باقی بمانند: یا هر دو حلقه می توانند در جهت های مخالف مولکول باقی بمانند که شکل "ترانس" نامیده می شود و یا می توانند در سمت مشابه باقی بمانند که "سیس" نام دارد.

این دو شکل همانند وضعیت های انرژی مختلف مولکولی مشابه هستند. شکل ترانس می تواند به عنوان وضعیت پایه در نظر گرفته شود؛ تحریک آن بوسیله نور فرابنفش پیوندها را تحت تاثیر قرار داده و آن را به شکل سیس تبدیل کند. تا زمانی که انرژی اضافی موجب بی ثباتی شکل سیس نشود، مولکول ها در این شکل باقی می مانند. سپس انرژی به صورت گرما آزاد شده و بار دیگر به شکل ترانس باز می گردد. از این رو، مولکول های منفرد آزوبنزن می توانند همانند یک سیستم ذخیره انرژی کوچک عمل کنند.

آزوبنزن به خودی خود در این خصوص کارآمد نیست. آزوبنزن تمایل به تشکیل در هم آمیختگی نامنظمی از مولکول ها دارد. اما بنابر مدل سازی رایانه ای تیم پژوهشی دانشگاه ام آی تی مشخص شد در صورت ردیف کردن مولکول های آزوبنزن و حفظ آنها در جهتی خاص می توان افزایش 30 درصدی عملکرد را انتظار داشت. برای انجام این کار پژوهشگران به صورت شیمیایی آزوبزن را نانولوله های کربن پیوند دادند. این فرآیند به طور خاص کارآمد نبوده، اما آنها توانستند با تکرار چند باره آن، ردیفی کامل از آزوبنزن روی سطوح نانولوله ها داشته باشند. پس از آن، آزوبنزن می تواند به صورت جام بسته بندی شده و یا به صورت محلول در حلال ساده ای ماند استون نگهداری شود.

آزوبنزن همچنان کار می کرد. در مواجهه با نور فرابنفش سیستم را شارژ کرده و حرارت 75 درجه سانتیگراد در تاریکی کافی بود تا ماده شیمیایی آن انرژی را به شکل گرما آزاد کند. با این وجود، مساله غیر منتظره میزان ارتقا عملکرد توسط نانولوله ها بود که به جای پیش بینی 30 درصدی در ذخیره انرژی، دانشمندان افزایشی 200 درصدی را تجربه کردند.

با استفاده از نور فرابنفش کارایی ذخیره انرژی آزوبنزن حدود 14 درصد بود. این ماده قابلیت شارژ و آزادسازی انرژی حداقل به میزان دو هزار بار بدون افت عملکرد را داشته و به صورتی با ثبات می تواند به ذخیره انرژی برای مدت زمان طولانی اقدام کند. چگالی انرژی بسیار خوب و برابر با 44 وات ساعت بر کیلوگرم بوده که مشابه با یک باتری سربی اسیدی است.

اما نکته ای که طی این پژوهش نامشخص باقی مانده درجه حرارت هایی است که این ماده می تواند تولید کند - به طور ویژه گرما برای جوشاندن آب به اندازه کافی متمرکز شده است؟ آیا بدون آن که تجزیه شود می تواند به اندازه کافی برای جوشاندن آب گرما تولید کند؟ همچنین، از آنجایی که گرما محرک معکوس کردن واکنش است، خطر افزایش گرما طی واکنش زنجیره ای در دستگاه ذخیره باید بررسی شود.