وسایلی را که استفاده می‌کنید از چه منبع انرژی استفاده می‌کنند؟ بدیهی است که برق، اما برق از کجا آمده؟ دو سوم از برق مورد استفاده در ایالات متحده از نیروگاه‌های سوخت فسیلی، ذغال سنگ و نفت و گاز طبیعی به دست می‌آید. انرژی خورشیدی فقط 1.3 درصد از برق تولید می‌کند. با این حال، انرژی خورشیدی می‌تواند به راحتی نیاز ما را تامین کند، البته به شرطی که بتوان آن را برای استفاده در زمانی که خورشید نمی‌تابد (مانند شب)، ذخیره کرد. محققان سوئدی اکنون فکر می‌کنند که ممکن است راهکاری برای انجام این کار داشته باشند.
توضیح: درک نور و تابش الکترومغناطیسی
کاسپر موس پولسن به عنوان یک مهندس شیمی، از شیمی و فیزیک برای طراحی راه حل مشکلات استفاده می‌کند. او در دانشگاه صنعتی چالمرز در گوتنبورگ سوئد کار می‌کند. او با دیگر محققان در سوئد و اسپانیا همکاری کرد تا با مشکل ذخیره انرژی خورشیدی مقابله کند. راه حل آنها: ذخیره انرژی در داخل پیوندهای مولکول‌هایی است که در یک مایع معلق شده‌اند. این مولکول‌ها شامل دو یا چند اتم هستند. این اتم‌ها الکترون‌ها را با یکدیگر به اشتراک می‌گذارند.
انواع مختلف مولکول‌ها دارای اشکال سه بعدی هستند. به عنوان مثال، متان به شکل یک هرم سه بعدی به نام یک تتراهاد (Teh-tra-HE-drun) است. مولکول‌های دیگر نیز اشکال مختلفی دارند. اضافه کردن انرژی به یک مولکول می‌تواند شکل آن را تغییر دهد و در این حالت ممکن است پیوندهای جدیدی بین اتم‌های آن تشکیل شود که ممکن است مقادیر انرژی مختلفی داشته باشند. هنگامی که یک مولکول انرژی بیشتری را جذب می‌کند، انرژی می‌تواند درون آن پیوندهای جدید به دام بیفتد. این کلیدی برای ساخت باتری‌های جدید انرژی خورشیدی است.
استفاده از پیوندهای جدید در داخل یک مولکول برای ذخیره انرژی خورشیدی کار جدیدی نیست. تیم موس پولس برای دستیابی به آن سال‌ها کار کرده است. اما مولکول‌هایی که در ابتدا با آن کار می‌کردند شامل یک فلز نادر و گران قیمت به نام روتنیم (Roo-THEE-nee-um) بود و محققان به دنبال پیدا کردن یک جایگزین ارزانتر بودند. برای رسیدن به این هدف، آنها با متخصصان دیگر همکاری کردند و به زودی یک کاندید امیدوار کننده به نام نوربورنادین (Nor-BORN-uh-DY-en) پیدا کردند. این ترکیب بیشتر از کربن و هیدروژن ساخته شده است، اتم‌هایی که در همه موجودات یافت می‌شوند و این بدان معنی است که این مولکول باید ارزان و قابل حصول باشد.
محققان مولکولی ساختند که نور خورشید را جذب می‌کند. اتم‌های آن انرژی خورشیدی را در پیوندهای شیمیایی به دام می‌اندازند. هنگامی که انرژی ذخیره شده این مولکول بر روی یک کاتالیزور جریان می‌یابد، پیوندهای بین اتم‌ها تغییر می‌کنند و مولکول انرژی خود را به شکل گرما آزاد می‌کند.
محققان مولکولی ساختند که نور خورشید را جذب می‌کند. اتم‌های آن انرژی خورشیدی را در پیوندهای شیمیایی به دام می‌اندازند. با این حال یک مشکل وجود داشت. این ماده شیمیایی تنها می‌تواند نور ماورای بنفش (UV) را جذب کند که بخشی کوچک از نور خورشید است. محققان برای ساختن یک مولکول مفیدتر، آن را به گونه‌ای تنظیم کردند که طول موج‌های بیشتری (رنگ) از نور خورشید را جذب کند. به نظر می‌رسد رسیدن به این نوآوری آسان است اما در حقیقت، این کار هفت سال طول کشید و در حال حاضر مولکول آنها می‌تواند نه تنها اشعه ماوراء بنفش، بلکه همچنین نور آبی و سبز را نیز جذب کند. یک انتهای مولکول به این نور واکنش نشان می‌دهد. همانطور که انرژی را جذب می‌کند، مولکول پیوندهای جدیدی پیدا می‌کند. پیوندهای جدید بین اتم‌های آن به ذخیره و جذب انرژی دامن می‌زنند و آنها را در خود نگه می‌دارند، حتی پس از اینکه مولکول در دمای اتاق سرد می‌شود.
انواع مختلف مولکول‌ها دارای اشکال سه بعدی هستند. به عنوان مثال، متان به شکل یک هرم سه بعدی به نام یک تتراهاد (Teh-tra-HE-drun) است. مولکول‌های دیگر نیز اشکال مختلفی دارند. اضافه کردن انرژی به یک مولکول می‌تواند شکل آن را تغییر دهد و در این حالت ممکن است پیوندهای جدیدی بین اتم‌های آن تشکیل شود که ممکن است مقادیر انرژی مختلفی داشته باشند. هنگامی که یک مولکول انرژی بیشتری را جذب می‌کند، انرژی می‌تواند درون آن پیوندهای جدید به دام بیفتد. این کلیدی برای ساخت باتری‌های جدید انرژی خورشیدی است.
استفاده از پیوندهای جدید در داخل یک مولکول برای ذخیره انرژی خورشیدی کار جدیدی نیست. تیم موس پولس برای دستیابی به آن سال‌ها کار کرده است. اما مولکول‌هایی که در ابتدا با آن کار می‌کردند شامل یک فلز نادر و گران قیمت به نام روتنیم (Roo-THEE-nee-um) بود و محققان به دنبال پیدا کردن یک جایگزین ارزانتر بودند. برای رسیدن به این هدف، آنها با متخصصان دیگر همکاری کردند و به زودی یک کاندید امیدوار کننده به نام نوربورنادین (Nor-BORN-uh-DY-en) پیدا کردند. این ترکیب بیشتر از کربن و هیدروژن ساخته شده است، اتم‌هایی که در همه موجودات یافت می‌شوند و این بدان معنی است که این مولکول باید ارزان و قابل حصول باشد.
محققان مولکولی ساختند که نور خورشید را جذب می‌کند. اتم‌های آن انرژی خورشیدی را در پیوندهای شیمیایی به دام می‌اندازند. هنگامی که انرژی ذخیره شده این مولکول بر روی یک کاتالیزور جریان می‌یابد، پیوندهای بین اتم‌ها تغییر می‌کنند و مولکول انرژی خود را به شکل گرما آزاد می‌کند.
محققان مولکولی ساختند که نور خورشید را جذب می‌کند. اتم‌های آن انرژی خورشیدی را در پیوندهای شیمیایی به دام می‌اندازند. با این حال یک مشکل وجود داشت. این ماده شیمیایی تنها می‌تواند نور ماورای بنفش (UV) را جذب کند که بخشی کوچک از نور خورشید است. محققان برای ساختن یک مولکول مفیدتر، آن را به گونه‌ای تنظیم کردند که طول موج‌های بیشتری (رنگ) از نور خورشید را جذب کند. به نظر می‌رسد رسیدن به این نوآوری آسان است اما در حقیقت، این کار هفت سال طول کشید و در حال حاضر مولکول آنها می‌تواند نه تنها اشعه ماوراء بنفش، بلکه همچنین نور آبی و سبز را نیز جذب کند. یک انتهای مولکول به این نور واکنش نشان می‌دهد. همانطور که انرژی را جذب می‌کند، مولکول پیوندهای جدیدی پیدا می‌کند. پیوندهای جدید بین اتم‌های آن به ذخیره و جذب انرژی دامن می‌زنند و آنها را در خود نگه می‌دارند، حتی پس از اینکه مولکول در دمای اتاق سرد می‌شود.
کاتالیزور چیست؟
اما تنها ذخیره سازی انرژی مفید نیست، مگر اینکه شما بتوانید آن انرژی را هنگامی که به آن نیاز دارید آزاد کنید. بنابراین تیم موس پولسن راهی پیدا کرد که مولکول آن انرژی را به شکل گرما آزاد کند. محققان مایع را بر روی یک نوع نمک که به عنوان یک کاتالیزور عمل می‌کند، منتقل می‌کنند. (کاتالیزورها مواد هستند که باعث افزایش سرعت واکنش‌های شیمیایی می‌شوند و در واکنش‌ها استفاده نمی‌شوند اما واکنش‌ها را سرعت می‌بخشند. نمک باعث می‌شود که مولکول به شکل اصلی خود تغییر کنند. وقتی این اتفاق می‌افتد، مولکول انرژی ذخیره شده در پیوندهای خود را آزاد می‌کند و این کار دمای مایع را تا 63.4 درجه سانتیگراد (114 درجه فارنهایت) افزایش می‌دهد که به اندازه کافی برای گرم کردن یک خانه می‌باشد. این گروه یافته‌های خود را در شماره ژانویه نشریه انرژی و علوم محیط زیست منتشر کرد.
پیشرفت‌های آینده
موس پوولسن می‌گوید که باتری مایع ساخته شده با این مولکول‌ها می‌تواند انرژی خورشیدی را برای روزها، ماه ها یا حتی سال‌ها ذخیره کند. بنابراین انرژی در طول روزهای طولانی تابستان جذب می‌شود و برای استفاده در شب و یا در زمستان، یا زمانی که روزها کوتاه هستند، مورد بهره برداری قرار می‌گیرد.
انرژی حرارتی چگونه حرکت می‌کند
فناوری این تیم در سیستم آزمایشگاهی آنها در سوئد آزمایش شده است. این سیستم به خوبی کار می‌کند - اما هنوز به اندازه کافی برای قرار دادن در هر خانه نیست. در گام اول، این تیم نیاز به افزایش قابلیت جذب انرژی خورشیدی دارد که مولکول می‌تواند آن را جذب کند. موس پولسن "ما قصد داریم تا 5 تا 10 درصد از این انرژی را به دست آوریم."
ذخیره انرژی بیشتر در پیوندهای مولکول به این معنی است که بعدا ممکن است این گرما بیشتر شود. موس پولسن می‌گوید: در حالی که این سیستم برق تولید نمی‌کند، از گرمای آزاد شده می توان برای حرکت دادن یک توربین استفاده کرد. یک روز چنین سیستمی ممکن است برای ساختمان‌ها هم گرما و هم برق را بدون اتصال به سایر منابع خارجی برق تامین کند. این ساختمان‌ها نیز بدون نیاز به انرژی حاصل از سوخت‌های فسیلی گرم می‌شوند. موس پولسن می‌گوید: ما اخیرا چند ترفند جدید را کشف کرده‌ایم. او امیدوار است که دستیافت به این کمک کند که سیستم‌های گرمایش خانگی حتی بهتر عمل کنند. این سیستم باید مقرون به صرفه بوده تا جذابیت خود را افزایش دهد.
ذخیره انرژی بیشتر در پیوندهای مولکول به این معنی است که بعدا ممکن است این گرما بیشتر شود. موس پولسن می‌گوید: در حالی که این سیستم برق تولید نمی‌کند، از گرمای آزاد شده می توان برای حرکت دادن یک توربین استفاده کرد. یک روز چنین سیستمی ممکن است برای ساختمان‌ها هم گرما و هم برق را بدون اتصال به سایر منابع خارجی برق تامین کند. این ساختمان‌ها نیز بدون نیاز به انرژی حاصل از سوخت‌های فسیلی گرم می‌شوند. موس پولسن می‌گوید: ما اخیرا چند ترفند جدید را کشف کرده‌ایم. او امیدوار است که دستیافت به این کمک کند که سیستم‌های گرمایش خانگی حتی بهتر عمل کنند. این سیستم باید مقرون به صرفه بوده تا جذابیت خود را افزایش دهد.
منبع: سایت نیو ساینس فور استیودنتس
