Các nhà nghiên cứu đã phát triển một phân tử mới có khả năng thu nhận ánh sáng mặt trời, lưu trữ nó trong các liên kết hóa học và giải phóng nó sau đó dưới dạng nhiệt. Nguồn: SciTechDaily.com

Hợp nhất pin mặt trời

Năng lượng mặt trời có một điểm yếu cố hữu: nó biến mất khi mặt trời lặn. Việc tìm ra cách lưu trữ năng lượng đó để sử dụng sau này vẫn là một trong những trở ngại lớn nhất đối với việc mở rộng năng lượng tái tạo.

Một nhóm nghiên cứu tại Đại học UC Santa Barbara có thể đã tìm ra một giải pháp bất ngờ. Thay vì dựa vào pin thông thường, họ đã tạo ra một phân tử hữu cơ nhỏ có khả năng thu giữ ánh sáng mặt trời, lưu trữ năng lượng trong cấu trúc của nó và giải phóng sau đó dưới dạng nhiệt. Công trình này, được công bố trên Tạp chí Science, giới thiệu một phiên bản mới của công nghệ lưu trữ nhiệt mặt trời phân tử (MOST) sử dụng một hợp chất có tên là pyrimidone.

“Khái niệm này có thể tái sử dụng và tái chế,” tác giả chính Han Nguyen, Nghiên cứu sinh tiến sĩ thuộc Nhóm nghiên cứu Han Group, cho biết.

Để hiểu rõ ý tưởng này, Nguyen đã đưa ra một ví dụ quen thuộc. “Hãy nghĩ đến kính râm đổi màu. Khi bạn ở trong nhà, chúng chỉ là những tròng kính trong suốt. Bạn bước ra ngoài trời nắng, và chúng tự động tối màu. Quay trở lại trong nhà, và tròng kính lại trở nên trong suốt,” Nguyen nói. “Kiểu thay đổi có thể đảo ngược đó là điều chúng tôi quan tâm. Chỉ khác là thay vì thay đổi màu sắc, chúng tôi muốn sử dụng cùng một ý tưởng để lưu trữ năng lượng, giải phóng nó khi cần thiết, và sau đó tái sử dụng vật liệu nhiều lần

Thiết kế lấy cảm hứng từ sinh học

Để tạo ra phân tử này, các nhà nghiên cứu đã lấy cảm hứng từ DNA. Cấu trúc pyrimidone giống với một thành phần của DNA có thể thay đổi hình dạng một cách thuận nghịch khi tiếp xúc với tia cực tím.

Bằng cách tạo ra phiên bản tổng hợp, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một phân tử có khả năng lưu trữ và giải phóng năng lượng nhiều lần. Họ đã hợp tác với Ken Houk, một giáo sư nghiên cứu danh tiếng tại UCLA, sử dụng mô hình tính toán để hiểu cách phân tử này có thể giữ năng lượng trong khi vẫn ổn định trong nhiều năm.

“Chúng tôi ưu tiên thiết kế phân tử nhẹ và nhỏ gọn,” Nguyen nói. “Đối với dự án này, chúng tôi đã loại bỏ mọi thứ không cần thiết để làm cho phân tử nhỏ gọn nhất có thể.”

Một 'pin sạc' dùng để sưởi ấm

Khác với các tấm pin mặt trời tạo ra điện năng, hệ thống này lưu trữ năng lượng mặt trời dưới dạng hóa học. Phân tử hoạt động như một lò xo cuộn. Khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, nó chuyển sang cấu hình năng lượng cao, bị biến dạng. Nó duy trì trạng thái đó cho đến khi được kích hoạt bởi nhiệt hoặc chất xúc tác, cho phép nó trở lại hình dạng ban đầu và giải phóng năng lượng đã lưu trữ dưới dạng nhiệt.

“Chúng tôi thường mô tả nó như một loại pin năng lượng mặt trời có thể sạc lại,” ông Nguyen nói. “Nó lưu trữ ánh sáng mặt trời và có thể được sạc lại.”

Vật liệu này thể hiện hiệu suất mạnh mẽ, với mật độ năng lượng vượt quá 1,6 megajoule trên kilogram (MJ/kg) (khoảng 0,69 đơn vị nhiệt Anh trên pound). Con số này xấp xỉ gấp đôi so với pin lithium ion thông thường, vốn có mật độ năng lượng khoảng 0,9 MJ/kg, và cao hơn so với các vật liệu chuyển mạch quang học trước đây.

Từ lý thuyết đến đun nước sôi

Bước đột phá quan trọng đối với nhóm của Han là việc chuyển đổi mật độ năng lượng cao thành kết quả hữu hình. Trong nghiên cứu, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng nhiệt lượng tỏa ra từ vật liệu đủ mạnh để đun sôi nước - một kỳ tích trước đây rất khó đạt được trong lĩnh vực này.

“Đun sôi nước là một quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng,” ông Nguyen nói. “Việc chúng ta có thể đun sôi nước trong điều kiện môi trường xung quanh là một thành tựu lớn.”

Khả năng này mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn, từ hệ thống sưởi ấm ngoài lưới điện cho cắm trại đến hệ thống làm nóng nước sinh hoạt. Vì vật liệu này tan được trong nước, nên nó có thể được bơm qua các tấm thu năng lượng mặt trời gắn trên mái nhà để tích điện vào ban ngày và được lưu trữ trong các bể chứa để cung cấp nhiệt vào ban đêm.

“Với các tấm pin mặt trời, bạn cần một hệ thống pin bổ sung để lưu trữ năng lượng,” Benjamin Baker, đồng tác giả và là Nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Pphòng thí nghiệm Han, cho biết. “Với phương pháp lưu trữ năng lượng nhiệt mặt trời phân tử, bản thân vật liệu có khả năng lưu trữ năng lượng từ ánh sáng mặt trời.”