Khoa học gia "đóng chai ánh nắng" bằng pin lỏng lưu trữ năng lượng mặt trời

Khoa học gia "đóng chai ánh nắng" bằng pin lỏng lưu trữ năng lượng mặt trời

Các nhà khoa học tại Đại học California, Santa Barbara (UC Santa Barbara) đã phát triển một vật liệu đột phá hoạt động giống như một "pin mặt trời sạc được". Vật liệu này có khả năng lưu trữ ánh sáng mặt trời bên trong các phân tử siêu nhỏ và giải phóng nó dưới dạng nhiệt lượng, thậm chí lâu sau khi mặt trời đã lặn. Hệ thống này không phụ thuộc vào các bộ pin cồng kềnh hay lưới điện truyền thống, với khả năng lưu trữ năng lượng lên đến nhiều năm và mật độ năng lượng trên mỗi kilogram cao hơn cả pin lithium-ion.

Minh họa pin lỏng lưu trữ năng lượng mặt trời

Giải quyết bài toán lưu trữ năng lượng tái tạo

Một trong những thách thức lớn nhất của năng lượng tái tạo là làm thế nào để lưu trữ điện năng khi các tấm pin mặt trời không thể hoạt động sau khi hoàng hôn buông xuống hoặc trong những ngày mây bão. Giải pháp phổ biến hiện nay thường yêu cầu các hệ thống pin khổng lồ hoặc kết nối trực tiếp với lưới điện.

Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu của Phó Giáo sư Grace Han tin rằng họ đã tìm ra câu trả lời. Trong bài đăng trên tạp chí Science, nhóm đã mô tả một vật liệu mới dựa trên phân tử hữu cơ được sửa đổi gọi là pyrimidone. Vật liệu này thuộc công nghệ lưu trữ nhiệt mặt trời phân tử (MOST - Molecular Solar Thermal), có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời, lưu trữ năng lượng đó trong các liên kết hóa học và giải phóng dưới dạng nhiệt bất cứ khi nào cần thiết.

"Khái niệm này có thể tái sử dụng và tái chế," chia sẻ Han Nguyen, sinh viên tiến sĩ và là tác giả chính của nghiên cứu.

Cảm hứng từ kính râm và DNA

Điều thú vị là các nhà khoa học đã lấy cảm hứng từ những nguồn rất đời thường để thiết kế phân tử này: kính râm quang sắc (photochromic sunglasses) và cấu trúc của DNA.

"Hãy tưởng tượng về kính râm quang sắc. Khi bạn ở trong nhà, chúng chỉ là những thấu kính trong suốt. Bước ra ngoài nắng, chúng tự động sẫm màu. Lại vào trong nhà, thấu kính trở lại trong suốt," Nguyen giải thích. "Đó chính là loại thay đổi có thể đảo ngược mà chúng tôi quan tâm. Thay vì thay đổi màu sắc, chúng tôi muốn sử dụng ý tưởng tương tự để lưu trữ năng lượng, giải phóng nó khi cần và sau đó tái sử dụng vật liệu nhiều lần."

Cấu trúc pyrimidone được thiết kế tương tự như một thành phần có tự nhiên trong DNA, có khả năng thay đổi hình dạng khi tiếp xúc với tia cực tím. Sử dụng phiên bản tổng hợp của cấu trúc này, nhóm đã kỹ thuật một phân tử có thể lưu trữ và giải phóng năng lượng liên tục. Mô hình hóa tính toán từ Đại học California, Los Angeles (UCLA) đã giúp giải thích cách vật liệu duy trì năng lượng lưu trữ trong nhiều năm mà không bị hao hụt đáng kể.

Cơ chế hoạt động như lò xo nén

Khác với các tấm pin mặt trời tiêu chuẩn chuyển đổi ánh sáng trực tiếp thành điện, hệ thống này lưu trữ năng lượng dưới dạng hóa học. Phân tử hoạt động giống như một chiếc lò xo bị nén. Sau khi hấp thụ ánh sáng mặt trời, nó chuyển sang trạng thái căng thẳng, năng lượng cao và duy trì trạng thái đó cho đến khi được kích hoạt.

Khi tiếp xúc với một tác nhân kích thích — chẳng hạn như một lượng nhiệt nhỏ hoặc chất xúc tác — phân tử sẽ "snap" (búng) trở lại hình dạng ban đầu, giải phóng năng lượng đã lưu trữ dưới dạng nhiệt.

"Chúng tôi thường mô tả nó như một pin mặt trời sạc được. Nó lưu trữ ánh sáng mặt trời và có thể sạc lại," nói về công nghệ mới.

Mật độ năng lượng vượt trội và khả năng đun sôi nước

Một trong những thành tựu ấn tượng nhất của vật liệu này là mật độ năng lượng. Theo các nhà nghiên cứu, nó lưu trữ hơn 1,6 megajoules (MJ) năng lượng trên mỗi kilogram. Để so sánh, một pin lithium-ion thông thường chỉ lưu trữ khoảng 0,9 MJ/kg. Vật liệu mới này cũng vượt trội hơn so với các thế hệ trước của công nghệ lưu trữ năng lượng quang học.

Cột mốc quan trọng trong các thí nghiệm là khả năng biến mật độ năng lượng cao này thành ứng dụng thực tế. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh vật liệu có thể giải phóng đủ nhiệt để đun sôi nước trong điều kiện môi trường bình thường — một nhiệm vụ tốn nhiều năng lượng mà các nghiên cứu trước đây trong lĩnh vực này khó đạt được.

"Đun sôi nước là một quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng. Việc chúng tôi có thể đun sôi nước trong điều kiện môi trường là một thành tựu lớn," Nguyen nhấn mạnh.

Tiềm năng ứng dụng trong tương lai

Công nghệ này có thể hỗ trợ nhiều ứng dụng thực tế, bao gồm hệ thống sưởi ngoài lưới điện cho cắm trại hoặc ứng dụng làm nóng nước dùng trong gia đình. Vì vật liệu này hòa tan trong nước, các nhà nghiên cứu cho rằng trong tương lai, nó có thể lưu thông qua các bộ thu năng lượng mặt trời trên mái nhà vào ban ngày trước khi được lưu trữ trong các bể chứa và giải phóng nhiệt vào ban đêm.

Với các tấm pin mặt trời thông thường, bạn cần một hệ thống pin bổ sung để lưu trữ điện năng. Nhưng với công nghệ lưu trữ nhiệt mặt trời phân tử, chính vật liệu đó có khả năng lưu trữ năng lượng từ ánh sáng mặt trời một cách trực tiếp và hiệu quả.