Khoa học kỹ thuật và công nghệ

Vật liệu có thể khai thác năng lượng mặt trời cả ngày lẫn đêm (26/04/2014)

Một sự thật hiển nhiên, nhưng có thể sẽ lui vào dĩ vãng: Vấn đề liên quan đến năng lượng mặt trời chính là Mặt trời có lúc không chiếu sáng.

Một nhóm nghiên cứu tại Đại học MIT và Harvard đã đưa ra một giải pháp thay thế khéo léo bằng một loại vật liệu có thể hấp thụ nhiệt từ Mặt trời và tích trữ năng lượng dưới dạng chất hóa học, sẵn sàng cung cấp năng lượng theo nhu cầu.

Đây không phải là giải pháp “vạn năng” về năng lượng mặt trời: Mặc dù nó có thể tạo ra điện năng, nhưng không hiệu quả. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng ở những nơi sản xuất nhiệt năng - như để sưởi các tòa nhà, nấu ăn, hay sản xuất công nghiệp bằng nhiệt năng - thì giải pháp này có thể mang lại một cơ hội để mở rộng năng lượng mặt trời sang các phạm vi mới.

“Giải pháp có thể thay đổi cuộc chơi, vì nó tạo ra năng lượng mặt trời, ở dạng nhiệt năng có thể lưu trữ và phân phối,” Jeffrey Grossman, Phó giáo sư kỹ thuật điện tại MIT, đồng tác giả bài báo công bố trên tạp chí Nature Chemistry.

Nguyên lý thật đơn giản: Một số phân tử, được gọi là các chuyển đổi quang (photoswitches), có thể ở một trong hai hình dạng khác nhau, cứ như là chúng có một bản lề ở giữa. Dưới ánh nắng, chúng sẽ hấp thu năng lượng và chuyển từ hình dạng này sang hình dạng khác, rồi sau đó sẽ ổn định trong thời gian dài.

Nhưng những chuyển đổi quang này có thể được kích hoạt để trở lại hình dạng kia bằng cách đưa vào một nguồn nhỏ nhiệt, ánh sáng hoặc điện-và khi chúng nghỉ, chúng giải phóng nhiệt. Trong thực tế, chúng vận hành như các loại pin sạc nhiệt: lấy năng lượng từ mặt trời, lưu trữ không thời hạn, và sau đó cung cấp năng lượng theo nhu cầu.

Việc biến lý thuyết thành hiện thực là vô cùng khó khăn: để đạt được mật độ năng lượng mong muốn - lượng năng lượng có thể tích trữ trong một đơn vị trọng lượng và khối lượng nhất định của vật liệu - điều cần thiết nén chặt các phân tử với nhau, điều này tỏ ra khó hơn so với dự kiến ban đầu.

Nhóm nghiên cứu của Groosman đã cố gắng gắn các phân tử vào ống nano cacbon (CNTs). Trong khi tiến hành công việc này, họ bỗng phát hiện ra rằng: mặc dù kết quả tốt nhất mà họ đạt được là mật độ nén chỉ bằng một nửa so với các mô phỏng máy tính, tuy nhiêu vật liệu này dường như có khả năng tích trữ nhiệt theo như mục đích mà họ nhắm đến. Việc quan sát thấy lưu lượng nhiệt lớn hơn nhiều so với dự kiến đối với một mật độ năng lượng thấp hơn đã gợi ý cho nghiên cứu hơn nữa, Kucharski, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ ở MIT và Harvard và là tác giả nghiên cứu, nói.

Sau khi phân tích thêm, họ nhận thấy rằng các phân tử chuyển đổi quang, được gọi là azobenzene, nhô ra từ các bên ống nano cacbon giống như các răng lược. Do các răng riêng lẻ này cách xa nhau gấp 2 lần so với mong muốn, chúng có thể đan xen với các phân tử azobenzene bám vào các ống nano cacbon liền kề. Kết quả là các phân tử này đã thực tế sát nhau hơn nhiều so với dự kiến.

Sự tương tác giữa phân tử azobenzene lên các ống nano cácbon lân cận khiến vật liệu hoạt động, Kucharski nói. Trong khi mô hình trước đấy đã chỉ cho thấy rằng việc nén azobenzene lên các ống nano cacbon tương tự sẽ chỉ tăng được 30% mật độ lưu trữ năng lượng, thì những thí nghiệm này đã cho thấy mức tăng là 200%.

Hiện thực này đã mở ra hàng loạt các loại vật liệu có thể tối ưu hóa khả năng lưu trữ nhiệt. Thay cho việc tìm kiếm các phân tử chuyển đổi quang đặc biệt, các nhà nghiên cứu giờ đây tập trung tìm kiếm kết hợp khác nhau giữa phân tử và các chất nền. “Giờ đây, chúng tôi đang xem xét các lớp vật liệu nhiệt mặt trời hoàn toàn mới mà chúng tôi có thể nâng cao khả năng tương tác này", Groosman nói.

Không giống như các loại nhiêu liệu đốt cháy, hệ thống này sử dụng vật liệu có thể tái sử dụng liên tục. Nó không phát ra khí thải và không có gì bị đốt cháy, Grossman cho biết.

Nguồn: www.vista.vn (Theo Phys.Org)