Một trong những thách thức lớn nhất của điện mặt trời là khi Mặt trời không chiếu sáng. Khi mặt trời lặn, các tấm pin mặt trời ngừng hoạt động. Đây là trở ngại cơ bản của năng lượng tái tạo. Làm thế nào để lưu trữ năng lượng mặt trời cho những ngày mưa hoặc những đêm lạnh giá?
Các nhà khoa học tại Đại học California, Santa Barbara vừa phát triển loại vật liệu mới, có thể lưu trữ năng lượng mặt trời theo một cách hoàn toàn khác, bên trong các liên kết hóa học, sau đó giải phóng nó dưới dạng nhiệt khi nào cần thiết, không cần đến pin cồng kềnh hay lưới điện.
Vật liệu này, phân tử hữu cơ được sửa đổi có tên là pyrimidone, là bước tiến mới nhất trong lĩnh vực gọi là lưu trữ năng lượng nhiệt mặt trời phân tử. Thay vì tạo ra điện, phương pháp này lưu trữ năng lượng trực tiếp dưới dạng nhiệt. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science.
Ý tưởng này tương tự như cách kính râm đổi màu, tự động tối màu khi tiếp xúc dưới ánh nắng mặt trời và trở lại trong suốt khi ở trong nhà. Phân tử này thay đổi hình dạng khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, lưu trữ năng lượng trong quá trình này.
Khi được kích hoạt sau đó bằng nhiệt hoặc chất xúc tác, nó sẽ trở lại hình dạng ban đầu và giải phóng năng lượng đã lưu trữ dưới dạng nhiệt. Vì quá trình này có thể đảo ngược, nên vật liệu có thể tái sử dụng nhiều lần, hoạt động như một loại pin năng lượng mặt trời có thể sạc lại.
Để tạo ra phân tử này, nhóm nghiên cứu lấy cảm hứng từ DNA. Một số thành phần của DNA thay đổi cấu trúc một cách tự nhiên khi tiếp xúc tia cực tím. Bằng cách thiết kế phiên bản tổng hợp của cấu trúc này, các nhà khoa học phát triển một phân tử có thể lưu trữ năng lượng trong thời gian dài mà không bị phân hủy.
Phân tử này hoạt động như một lò xo cơ học: Khi tiếp xúc ánh sáng mặt trời, nó sẽ xoắn lại thành hình dạng căng, tích tụ năng lượng cao. Nó giữ nguyên hình dạng đó cho đến khi có tác nhân kích hoạt, chẳng hạn như lượng nhiệt nhỏ hoặc chất xúc tác, làm nó trở lại trạng thái giãn ra, giải phóng năng lượng lưu trữ dưới dạng nhiệt.
Các thử nghiệm cho thấy, vật liệu này có mật độ năng lượng rất cao, hơn 1,6 megajoule trên mỗi kilogram (MJ/kg), thậm chí còn cao hơn nhiều loại pin lithium-ion tiêu chuẩn (khoảng 0,9 MJ/kg). Năng lượng lưu trữ vẫn ổn định trong nhiều năm, nghĩa là nó có khả năng thu năng lượng mặt trời mùa hè và giải phóng nhiệt vào mùa đông.
Trong một cuộc trình diễn, các nhà nghiên cứu chứng minh nhiệt lượng tỏa ra từ vật liệu, đủ mạnh để đun sôi nước ở điều kiện nhiệt độ phòng, đây là thành tựu lớn đối với loại công nghệ này. Đun sôi nước cần một lượng năng lượng lớn, vì vậy kết quả này cho thấy hệ thống có thể có những ứng dụng thực tiễn.
Các ứng dụng tiềm năng bao gồm sưởi ấm nhà cửa, làm ấm nước, hay cung cấp nhiệt cho các khu cắm trại hoặc địa điểm hẻo lánh. Vì vật liệu này tan được trong nước, nó có thể lưu thông qua các bộ thu trên mái nhà vào ban ngày để hấp thụ năng lượng mặt trời, sau đó lưu trữ trong các bể chứa để sử dụng vào ban đêm.
Mặc dù công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn phát triển, nhưng nghiên cứu này cho thấy hóa học có thể giải quyết một trong những vấn đề lớn nhất của năng lượng tái tạo. Nếu nhân rộng thành công, “pin mặt trời dạng lỏng” này một ngày nào đó có thể giúp giảm chi phí, đơn giản hóa cơ sở hạ tầng và làm cho năng lượng mặt trời đáng tin cậy hơn.
