Ученые из Массачусетского технологического института нашли новое применение углеродным нанотрубкам – их можно использовать для создания накопителей солнечной энергии. Новая технология может кардинально решить множество проблем человеческого быта, например отопления дома: «батарейку» достаточно подержать на солнечном свету и ночью она отдаст помещению накопленное за день тепло.

Сохранение тепла Солнца в химической форме вместо преобразования его в электричество имеет огромные преимущества, так как химические материалы могут храниться в течение длительного периода времени без потери запасенной энергии. Однако до сих пор успехи в этой области ограничивались использованием в качестве «солнечного аккумулятора» редкого дорогостоящего элемента рутения или материалов, которые деградировали и теряли свои свойства через несколько циклов зарядки/разрядки.

Рис. 1. Принцип работы солнечной «батарейки».

В прошлом году доцент Массачусетского технологического института Джеффри Гроссман вместе с четырьмя соавторами выяснил, каким образом дорогостоящий металл фульвален-тетракарбонилдирутений (fulvalene diruthenium) способен накапливать солнечное тепло и отдавать его (нагреваясь до 200 градусов Цельсия) при воздействии катализатора без деградации свойств. Гроссман искренне надеялся, что лучшее понимание этого процесса может облегчить поиск других аналогичных соединений, изготовленных из распространенных и недорогих материалов, а не из элемента платиновой группы.

И вот, наконец, это удалось: ученые Алекси Колпак и Джеффри Гроссман создали на основе углеродных нанотрубок крошечные трубчатые структуры из чистого углерода, которые в сочетании с веществом азобензолом дали требуемые уникальные свойства. Молекулы, полученные с использованием наноразмерных шаблонов, имеют особую физическую структуру, которая накапливает в 10 тыс. раз больше солнечной энергии, чем рутениевый аккумулятор тепла.

При этом новый материал намного дешевле рутения и позволяет точно контролировать скорость накопления и отдачи энергии, а также емкость тепловой химической «батареи».

Для хранения солнечной энергии используются молекулы, структура которых изменяется при воздействии солнечного света и может оставаться стабильной в этой измененной форме на неопределенный срок. При необходимости достаточно добавить катализатор, немного изменить температуру, облучить вспышкой света определенной частоты и т.п., и тепловой аккумулятор освобождает свой запас энергии в виде тепла. Такие химические теплоаккумуляторы можно хранить сколь угодно долго, как батарейки, и использовать в случае необходимости, например для обогрева помещений, приготовления пищи, выработки электроэнергии и т.д. Одним из важнейших преимуществ новой технологии является то, что процесс сбора и хранения энергии является одноступенчатым, т.е. не нужна солнечная батарея, которая сначала превращает солнечный свет в электричество, затем отдает энергию аккумулятору, а тот в свою очередь ночью питает обогреватель. Новый аккумулятор тепла самостоятельно накапливает и отдает тепло без промежуточных устройств. Единственное, если из солнечного тепла понадобится производить электричество, необходимо использовать паровую турбину или термоэлектрические преобразователи.

Кроме того новая технология хранения солнечного тепла с помощью азобензол-функционализированных углеродных нанотрубок является общей концепцией конструирования специальных материалов, которая может найти применение и во множестве других приложений.

По мнению Джеффри Гроссмана они находятся лишь на вершине пирамиды из множества уникальных материалов, которые могут решить многие проблемы человечества.