- Modyfikacja struktury drewna balsa: Jako bazę projektu naukowcy wykorzystali wyjątkowo lekkie i porowate drewno balsa, z którego w pierwszym kroku chemicznie usunięto naturalną ligninę. Zabieg ten pozbawił materiał pierwotnej sztywności, tworząc z niego wysoce porowatą gąbkę zdolną do doskonałego pochłaniania światła oraz nakładania kolejnych warstw funkcjonalnych.
- Zastosowanie zaawansowanej nanotechnologii: Wewnętrzne mikrokanaliki odlignifikowanego drewna pokryto ultracienką warstwą czarnego fosforenu, który drastycznie zwiększa zdolność pochłaniania promieniowania słonecznego. Aby zabezpieczyć fosforen przed destrukcyjnym utlenianiem, badacze stworzili powłokę ochronną z kwasu taninowego i jonów żelaza, uzupełniając całość o poprawiające przewodność nanocząsteczki srebra.
- Magazynowanie energii za pomocą kwasu stearynowego: Kluczem do zatrzymywania energii wewnątrz struktury stało się wypełnienie mikroskopijnych kanałów kwasem stearynowym, będącym materiałem zmiennofazowym. Substancja ta magazynuje ogromne ilości energii cieplnej podczas słonecznego nagrzewania, a po zmroku stopniowo oddaje ciepło do generatora termoelektrycznego, który przetwarza je z powrotem na prąd.
- Obiecujące parametry wydajnościowe testów: Zmodyfikowane strukturalnie drewno wykazało się znakomitą skutecznością, konwertując aż dziewięćdziesiąt jeden procent padającego światła słonecznego w energię cieplną. Podczas pojedynczego cyklu dobowego prototypowy materiał zdołał wygenerować napięcie równe zero koma sześćdziesiąt pięć wolta, udowadniając tym samym pełną poprawność teoretycznych założeń tego projektu.
- Wysoka trwałość i bezpieczeństwo pożarowe: Nowy materiał kompozytowy przeszedł pomyślnie test stu kolejnych cykli nagrzewania i chłodzenia, zachowując niemal identyczne parametry pracy i odporność na starzenie. Naukowcy zaimplementowali również mechanizmy bezpieczeństwa, dzięki którym drewno w przypadku kontaktu z otwartym ogniem samoczynnie wygasza się w ciągu niespełna dwóch minut.
- Perspektywy wdrożenia w architekturze: Choć technologia ta nie zastąpi obecnie klasycznych baterii z uwagi na niewielką ilość generowanego prądu, stanowi ona niezwykle obiecujący kierunek rozwoju systemów rozproszonych. W przyszłości inteligentny kompozyt drzewny mógłby stać się elementem konstrukcyjnym elewacji budynków, łącząc funkcje materiału izolacyjnego oraz aktywnego magazynu energii termicznej.
Fotowoltaika jest dziś jednym z najważniejszych filarów transformacji energetycznej. Ma jednak jedną zasadniczą wadę – produkuje energię tylko wtedy, gdy świeci słońce. Właśnie dlatego tak duże znaczenie mają magazyny energii, które pozwalają wykorzystać nadwyżki wyprodukowane w ciągu dnia.
Naukowcy z Chin zaprezentowali rozwiązanie, które może stanowić zupełnie nowe podejście do tego problemu. Zamiast magazynować energię w akumulatorach, postanowili przechowywać ją w postaci ciepła zgromadzonego wewnątrz specjalnie zmodyfikowanego drewna.
Efekt? Materiał, który po zachodzie słońca nadal potrafi generować energię elektryczną.
Największy problem energii słonecznej wciąż pozostaje nierozwiązany
Choć ceny paneli fotowoltaicznych systematycznie spadają, podstawowe ograniczenie tej technologii pozostaje niezmienne.
Produkcja energii elektrycznej jest ściśle uzależniona od nasłonecznienia. W nocy panele nie generują energii, a podczas pochmurnych dni ich wydajność znacząco spada.
Obecnie problem ten rozwiązuje się głównie poprzez stosowanie magazynów energii, które jednak pozostają kosztowne i wymagają wykorzystania surowców takich jak lit, nikiel czy kobalt.
Dlatego naukowcy na całym świecie poszukują alternatywnych metod przechowywania energii słonecznej.
Jedną z nich może okazać się technologia opracowana przez badaczy z Chin.
Zwykłe drewno zamieniono w magazyn energii
Podstawą eksperymentu było drewno balsa, znane z wyjątkowo lekkiej i porowatej struktury.
Samo drewno nie nadaje się jednak do efektywnego magazynowania energii słonecznej. Odbija część promieniowania i łatwo absorbuje wilgoć, co ogranicza jego przydatność w tego typu zastosowaniach.
Dlatego naukowcy najpierw zmodyfikowali jego strukturę.
Pierwszym krokiem było usunięcie ligniny – naturalnego składnika odpowiedzialnego za sztywność drewna. Dzięki temu materiał stał się bardziej porowaty i znacznie lepiej pochłaniał światło.
Powstała swego rodzaju naturalna gąbka, która mogła zostać wyposażona w kolejne warstwy funkcjonalne.
Nanotechnologia spotyka drewno
Aby zwiększyć zdolność materiału do pochłaniania promieniowania słonecznego, badacze pokryli wewnętrzne kanały drewna ultracienkimi warstwami czarnego fosforenu.
Materiał ten jest znany z bardzo dobrych właściwości optycznych i elektrycznych, ale ma jedną wadę – łatwo ulega utlenianiu.
Naukowcy rozwiązali ten problem, tworząc specjalną ochronną powłokę z kwasu taninowego oraz jonów żelaza.
Kolejnym etapem było dodanie nanocząsteczek srebra, które jeszcze bardziej zwiększyły zdolność pochłaniania energii słonecznej.
Brzmi skomplikowanie, ale cel był prosty – maksymalnie zwiększyć ilość energii, którą drewno może przechować.
Sekret tkwi w magazynowaniu ciepła
Najważniejszym elementem całej konstrukcji okazał się jednak kwas stearynowy.
To substancja zdolna do magazynowania energii cieplnej podczas nagrzewania i oddawania jej podczas stygnięcia. Wypełniono nią wewnętrzne kanały drewna, tworząc naturalny magazyn energii termicznej.
Gdy materiał był wystawiony na działanie promieni słonecznych, pochłaniał energię i magazynował ją w postaci ciepła.
Po zmroku proces przebiegał w odwrotnym kierunku. Zgromadzona energia była stopniowo uwalniana, co pozwalało zasilać generator termoelektryczny produkujący energię elektryczną.
W praktyce oznacza to możliwość wykorzystania energii słonecznej nawet wtedy, gdy słońce już dawno zaszło.
Wyniki testów są obiecujące
Badacze odnotowali bardzo wysoką skuteczność absorpcji promieniowania słonecznego.
Zmodyfikowane drewno przekształcało około 91,2 proc. padającego światła w energię cieplną.
Jednocześnie przewodność cieplna materiału była niemal czterokrotnie wyższa niż w przypadku naturalnego drewna balsa.
Podczas testów materiał generował do 0,65 V energii elektrycznej w trakcie pojedynczego cyklu słonecznego.
Choć wartość ta nie wystarczy do zasilenia domu, pokazuje, że sama koncepcja działa i może zostać rozwinięta w przyszłości do znacznie większej skali.
Materiał jest również zaskakująco trwały
Jednym z najważniejszych aspektów nowych technologii energetycznych jest ich trwałość.
W tym przypadku wyniki również okazały się obiecujące.
Po przeprowadzeniu 100 kolejnych cykli nagrzewania i chłodzenia materiał zachował niemal identyczne parametry pracy.
Co ciekawe, naukowcy zadbali także o bezpieczeństwo przeciwpożarowe. W przypadku zapłonu materiał samoczynnie wygasał w ciągu około dwóch minut, znacząco ograniczając ryzyko rozprzestrzenienia się ognia.
Czy drewno zastąpi magazyny energii?
Na razie zdecydowanie nie.
Badania znajdują się na wczesnym etapie rozwoju, a uzyskiwane ilości energii są jeszcze niewielkie w porównaniu z klasycznymi magazynami energii czy akumulatorami litowo-jonowymi.
Jednak sama koncepcja jest niezwykle interesująca. Pokazuje bowiem, że magazynowanie energii nie musi ograniczać się wyłącznie do baterii.
W przyszłości podobne materiały mogłyby znaleźć zastosowanie między innymi w elewacjach budynków, inteligentnych materiałach budowlanych, systemach wspomagających ogrzewanie czy lokalnych układach odzysku energii.
Energia słoneczna po zachodzie słońca przestaje być fantazją
Od lat największym wyzwaniem energetyki słonecznej jest przechowywanie energii wyprodukowanej w ciągu dnia. Chińscy naukowcy pokazali, że rozwiązaniem mogą być nie tylko coraz większe baterie, ale również inteligentne materiały zdolne do magazynowania ciepła.
Czy zmodyfikowane drewno balsa trafi kiedyś do budynków i instalacji energetycznych? Tego jeszcze nie wiadomo.
Jedno jest jednak pewne – granica między materiałami budowlanymi a urządzeniami energetycznymi zaczyna się zacierać. A jeśli podobne technologie będą rozwijane dalej, przyszłe budynki mogą nie tylko zużywać energię, ale również aktywnie ją magazynować i oddawać wtedy, gdy będzie najbardziej potrzebna.
Komentarze (0)