A fenntartható energiatárolás fejlesztése ma az egyik legfontosabb technológiai kihívás, hiszen a megújuló energiaforrások széles körű elterjedéséhez hatékonyabb és hosszabb élettartamú tárolási megoldásokra van szükség. A kutatók ezért egyre gyakrabban fordulnak a természetben már működő biológiai folyamatok felé, hogy azokból merítsenek inspirációt új technológiák kifejlesztéséhez. A figyelem középpontjába ezúttal az emberi bőrben zajló molekuláris folyamatok kerültek: azok a DNS-elváltozások, amelyeket az ultraibolya sugárzás idéz elő leégés során.
Különös összefüggések
A kutatás egyik főszereplője Grace Han kémiaprofesszor volt, aki Bostonból Dél-Kaliforniába költözve saját tapasztalatain keresztül kezdett mélyebben foglalkozni az ultraibolya sugárzás és a DNS kapcsolatával. A DNS-fotokémia területén végzett vizsgálatok során arra a felismerésre jutott, hogy a leégés során keletkező molekuláris torzulások valójában energiát tárolnak el.
Az UV-sugárzás hatására a DNS-molekulák szerkezete átmenetileg megváltozik, egyfajta feszült állapotba kerül. A természet azonban rendelkezik olyan javítóenzimekkel – úgynevezett fotoliázokkal –, amelyek képesek visszaállítani az eredeti szerkezetet, vagyis felszabadítani a tárolt energiát. Szakértők szerint ennek a folyamatnak a mesterséges másolása egy új, molekuláris alapú energiatárolási technológia alapját jelentheti.
A MOST technológia
A kutatók ezt a megközelítést molekuláris napenergia-tárolásnak nevezik, amelyet az angol Molecular Solar Thermal Energy Storage kifejezés alapján „MOST” technológiaként említenek. A rendszer lényege, hogy speciális molekulák képesek elnyelni és hosszabb időn keresztül eltárolni a napenergiát, majd azt később szabályozott módon hőenergiaként felszabadítani. A működés alapja egy különleges molekuláris átalakulás. A fény hatására a molekulák szerkezete megváltozik: egy energiadús, feszített állapotba kerülnek, amelyben a napenergiát kémiai formában „bezárják”. Ez az állapot rendkívül stabil, így az energia akár hónapokon vagy éveken keresztül is tárolható jelentősebb veszteség nélkül.
Amikor az energiára szükség van (például fűtési célokra vagy olyan időszakokban, amikor nem áll rendelkezésre napsütés), egy külső hatás segítségével a molekulákat visszaalakítják eredeti szerkezetükbe. Az átalakulás során a korábban eltárolt energia hő formájában szabadul fel.
A technológia egyik legnagyobb előnye, hogy működéséhez nincs szükség égésre vagy fosszilis energiahordozókra, így az energiafelszabadítás közvetlenül, szén-dioxid kibocsátása nélkül történik. Emellett a rendszer decentralizált módon is alkalmazható, hiszen alapja a napfény, amely gyakorlatilag világszerte hozzáférhető energiaforrás. A kutatók szerint ez hosszú távon csökkentheti az energiarendszerek külső nyersanyag- és geopolitikai függőségét is.
A jelenlegi korlátok
A MOST technológia ígéretes lehetőséget kínál a fenntartható energiatárolás területén, a gyakorlati alkalmazást azonban több technológiai akadály korlátozza. A kutatók szerint a rendszer egyelőre laboratóriumi környezetben működik megfelelően, ipari vagy lakossági méretű bevezetése még további fejlesztéseket igényel. Ennek okai a következők:
- Nem elég hatékony fényelnyelés: a jelenleg vizsgált molekulák főként a rövid hullámhosszú, nagy energiájú UV-sugárzásra reagálnak. Bár ez a sugárzás valóban a Napból érkezik, a Föld légköre nagyrészt kiszűri, így a felszínre viszonylag kevés jut el belőle. Emiatt a rendszer ma még nem képes kellően hasznosítani a természetes napfényt.
- Kémiai aktiválás problémái: az eltárolt energia felszabadításához jelenleg olyan anyagokra is szükség van, amelyek ipari és biztonsági szempontból problémásak lehetnek. A kutatások során például sósavat alkalmaznak a molekulák eredeti állapotba történő visszaalakításához. Ez egy erősen maró hatású vegyület, amely biztonságos tárolást és utólagos semlegesítést igényel.
- Technológiai és mérnöki kihívások: a rendszer működéséhez a fénynek közvetlenül el kell érnie a molekulákat, ezért az energiatároló folyadékot nagyon vékony rétegben kell eloszlatni. Ez jelentősen megnehezíti a nagy léptékű alkalmazást. Emellett a folyadék folyamatos keringetésére és mozgatására is szükség van, ami mechanikus pumpákat és összetettebb infrastruktúrát igényel. Mindez többletenergia-igénnyel jár, emeli az üzemeltetés költségeit, és hosszabb távon a meghibásodások valószínűségét is fokozza.
Ablakbevonatoktól a repülőgépiparig
A fejlesztések egyik legfontosabb célja, hogy a molekulák ne csak az erős UV-sugárzásra, hanem a látható napfényre is reagáljanak, mivel ez nagyságrendekkel hatékonyabb energiahasznosítást tenne lehetővé. Emellett olyan megoldásokat is keresnek, amelyekkel az energia felszabadítása veszélyes vegyi anyagok alkalmazása nélkül történhetne.
Az egyik legígéretesebb kutatási irány a szilárdtest-alapú megközelítés. Ebben az esetben a fényérzékeny molekulákat nem folyadékban tárolják és keringetik, hanem szilárd anyagokba építik be. A szakértők szerint ebből a jövőben intelligens, energiatároló bevonatok készülhetnek, például üvegfelületekre vagy építőanyagokra. Egy ilyen ablakbevonat nappal elnyelhetné és eltárolhatná a napenergiát, majd alacsony hőmérséklet esetén fokozatosan hőt adhatna le, hozzájárulva az épületek energiahatékonyságához.
És bár egyesek szkeptikusak azzal kapcsolatban, hogy egy egész ház fűtését rá lehet-e bízni a MOST-ra, abban mindenki egyetért, hogy a technológia tökéletes lesz speciális feladatokra – például műholdak vagy repülőgépek fagyveszélyes, hőmérséklet-érzékeny alkatrészeinek védelmére. A kutatási terület még viszonylag szűk, (világszerte csak néhány tucat szakember foglalkozik aktívan a technológiával), azonban a DNS-folyamatok által inspirált megközelítés kétségkívül új perspektívát nyitott a fenntartható energiatárolás fejlesztésében.
Forrás: BBC
