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 một cách đáng tin cậy để sử dụng sau đó là một trong những trở ngại lớn nhất đối với việc mở rộng năng lượng tái tạo.
Một nhóm nghiên cứu tại Đại học California, Santa Barbara có thể đã tìm ra giải pháp thú vị. Khác với các pin hóa học thông thường, họ tạo ra phân tử hữu cơ, có khả năng thu nhận ánh sáng mặt trời, lưu trữ năng lượng trong cấu trúc của nó và giải phóng năng lượng sau này dưới dạng nhiệt.
Để dễ hiểu hơn, tác giả chính Han Nguyen, nghiên cứu sinh tiến sĩ đưa ra ví dụ quen thuộc. Bạn hãy hình dung kính râm đổi màu. Khi ở trong nhà, chúng là tròng kính trong suốt. Bạn đi ra ngoài nắng, chúng tự động tối màu. Quay trở lại trong nhà, tròng kính lại trở nên trong suốt.
Cách thay đổi thuận nghịch này là điều nhóm nghiên cứu quan tâm. Chỉ khác là, thay vì thay đổi màu sắc, nhóm nghiên cứu sử dụng ý tưởng này để lưu trữ năng lượng, giải phóng năng lượng khi cần thiết, có thể tái sử dụng nhiều lần. Công trình nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Science.
Để tạo ra phân tử này, các nhà nghiên cứu lấy cảm hứng từ DNA, trong đó họ sử dụng hợp chất gọi là pyrimidone. 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 thiết kế một phân tử có khả năng lưu trữ và giải phóng năng lượng nhiều lần. Họ hợp tác với Ken Houk, giáo sư nghiên cứu tại Đại học California, Los Angeles, sử dụng mô hình tính toán để hiểu cách phân tử này có thể lưu trữ năng lượng mà vẫn ổn định trong nhiều năm.
Khác với pin mặt trời tạo ra điện, hệ thống này lưu trữ năng lượng mặt trời dưới dạng hóa học. Phân tử hoạt động như lò xo cuộn. Khi tiếp xúc ánh sáng mặt trời, nó chuyển sang cấu hình năng lượng cao, bị biến dạng. Nó duy trì trạng thái đó cho đến khi có nhiệt hay chất xúc tác kích hoạt, đưa nó trở lại hình dạng ban đầu và giải phóng năng lượng đã lưu trữ dưới dạng nhiệt.
Vật liệu này thể hiện hiệu suất mạnh mẽ, mật độ năng lượng vượt quá 1,6 megajoule trên mỗi kilogram (MJ/kg). Con số này xấp xỉ gấp khoảng hai lần so với pin lithium-ion thông thường, khoảng 0,9 MJ/kg, và cao hơn các vật liệu chuyển mạch quang học trước đây.
Bước đột phá quan trọng đối với nhóm nghiên cứu là việc chuyển đổi mật độ năng lượng cao thành kết quả hữu hình. Trong nghiên cứu, các nhà nghiên cứu đã chứng minh 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.
Khả năng này mở ra các ứng dụng thực tiễn, từ hệ thống sưởi ấm ngoài lưới điện đến hệ thống làm nóng nước sinh hoạt. Vì vật liệu này hòa tan trong nước, nên nó có thể được bơm qua các bộ thu năng lượng mặt trời gắn trên mái nhà để tích điện vào ban ngày, được lưu trữ trong các bể chứa để cung cấp nhiệt vào ban đêm.
