Naujosios saulės baterijos pagrindas yra cheminės medžiagos keitimas

Kas įgalina naudoti naudojamą įrenginį? Elektra, žinoma. Bet kur kad atvyko is? Du trečdaliai Jungtinių Valstijų naudojamo elektros energijos gaunama iš elektrinių, naudojančių iškastinį kurą - anglį, naftą ar gamtines dujas. Saulės energija gamina tik 1,3 proc. Elektros energijos. Vis dėlto energija iš saulės gali lengvai priversti visus mūsų poreikius, jei ją būtų galima laikyti naudojimui, kai saulė nešviečia (pvz., Naktį). Švedijos mokslininkai dabar mano, kad jie gali tai padaryti.

Paaiškinimas: šviesos ir elektromagnetinės spinduliuotės supratimas

Kaip chemijos inžinierius Kasper Moth-Poulsen naudoja chemiją ir fiziką, siekdamas spręsti problemas. Jis dirba Chalmerso technologijos universitete Geteborge, Švedijoje. Jis susivienijo su kitais Švedijos ir Ispanijos tyrėjais, kad išspręstų saulės energijos saugojimo problemą. Jų sprendimas: saugokite tą energiją molekulių, kurios buvo suspenduotos skystyje, ryšiuose.

Molekulėse yra du ar daugiau atomų. Šie atomai dalija elektronus per obligacijas, kurios juos laiko kartu.

Skirtingi molekulių tipai turi skirtingas 3-D formas. Pavyzdžiui, metanas formuojamas kaip trikampė piramidė, vadinama tetrahedronu (Teh-tra-HE-drun). Kitos molekulės yra skirtingos formos. Energijos pridėjimas prie molekulės gali pakeisti jo formą. Dabar jos atomai gali sudaryti naujas obligacijas, kurios gali turėti skirtingą energijos kiekį. Kai molekulė vėliau absorbuoja energiją, ši energija gali įstrigti šiose naujose obligacijose.

Tai raktas į naują saulės energijos bateriją.

Obligacijų naudojimas molekulėje saulės energijos saugojimui nėra naujas. Moth-Poulsen grupė dirbo jau daugelį metų. Tačiau molekulės, iš pradžių dirbusios, turėjo retą ir brangų metalą, vadinamą ruteniu (Roo-THEE-nee-um). Mokslininkams reikėjo pigesnės alternatyvos.

Dėl įkvėpimo jie kreipėsi į kitus chemikus. Netrukus jie rado perspektyvų kandidatą, vadinamą norbornadienas (Nor-BORN-uh-DY-een). Jis daugiausia gaminamas iš anglies ir vandenilio, atomų, kurie randami visose gyvybėse. Tai reiškia, kad ši molekulė turėtų būti pigi ir lengvai gaminama.

an illustration of the sunlight absorbing molecule's structure and how it traps energy

Mokslininkai sukūrė molekulę (parodyta mėlyna spalva), kuri sugeria saulės šviesą. Jo atomai gaudo saulės energiją cheminėse obligacijose. Kai šios molekulės energijos kaupimo versija (parodyta raudonai) teka per katalizatorių, pasikeičia atomų tarpusavio ryšiai ir molekulė išskiria energiją kaip šilumą .Z. Wang et al / Energy & Environmental Science 2019 m. CC BY 3.0 )

Tačiau vis dar buvo viena problema. Ši cheminė medžiaga gali sugerti tik ultravioletinę (UV) šviesą - nedidelę saulės šviesos dalį. Kad ši molekulė taptų naudingesnė, mokslininkai ją supjaustė taip, kad absorbuotų daugiau saulės šviesos bangų ilgių (spalvų). Ši naujovė skamba lengvai. Tiesą sakant, jie truko septynerius metus. Dabar jų molekulė gali sugerti energiją ne tik iš UV, bet ir nuo mėlynos bei žalios šviesos.

Vienas molekulės galas reaguoja į šią šviesą. Kadangi ji sugeria šią energiją, molekulė įsijungia į naują formą. Naujos jungtys tarp jos atomų sulaiko tą energiją. Ir jie laikosi sandariai, net ir po to, kai molekulė atvėsina iki kambario temperatūros.

Paaiškinkite: Kas yra katalizatorius?

Tačiau energijos taupymas nėra naudingas, nebent galite atleisti tą energiją, kai to reikia. Taigi Moth-Poulsen komanda rado būdą, kaip gauti savo molekulę, kad išleistų saugomą energiją kaip šilumą. Mokslininkai perduoda skystį tam tikros rūšies druskai, kuri veikia kaip a katalizatorius . (Katalizatoriai yra medžiagos, kurios pagreitina chemines reakcijas. Reakcijose jos nenaudojamos, bet plečiasi reakcijos.) Druska sukelia molekulę atgal į pradinę formą. Tokiu atveju molekulė išleidžia energiją, saugomą jos obligacijose. Tai padidina skysčio temperatūrą 63,4 laipsnių Celsijaus (114 laipsnių pagal Celsijų), kad būtų galima šildyti namus.

Grupė paskelbė savo išvadas sausio mėn Energijos ir aplinkos mokslai .

Saulės energija

Skystas akumuliatorius, pagamintas su šiomis molekulėmis, gali saugoti saulės energiją dienoms, mėnesiams ar net metų, sako Moth-Poulsen. Taigi ilgomis vasaros dienomis sugeriama energija gali būti laikoma naudoti naktį arba žiemą, kai dienos yra trumpos.

Paaiškinkite: Kaip šiluma juda

Komanda išbandė savo sistemą stogo eksperimente savo laboratorijoje Švedijoje. Sistema veikia gerai - bet dar nėra pakankamai gerai, kad galėtumėte įdėti į kiekvieną namą. Pirma, komanda turi padidinti saulės energijos kiekį, kurią molekulė gali sugerti. „Mes siekiame pasiekti 5–10 proc. Šios energijos“, sako Moth-Poulsen.

Didesnės energijos saugojimas molekulės obligacijose reiškia, kad vėliau jos gali atleisti daugiau šilumos. Ir nors sistema nėra elektros energija, išleidžiama šiluma gali būti naudojama vairuoti a turbina tai sako Moth-Poulsen. Vieną dieną tokia sistema gali šildyti ir pastatyti pastatus be jokio ryšio su išoriniais elektros energijos šaltiniais. Šie pastatai taip pat gali išlikti šilti be energijos iš iškastinio kuro.

375_LEM_solar_storage_system.png

„Moth-Poulsen“ komandos sukurta skystoji baterija taptų sistemos (iliustruotos) dalimi, kurią komanda sukūrė namų šildymui. Wang et al / Energy & Environmental Science 2019 m

„Neseniai radome naujų triukų“, - sako Moth-Poulsen. Jis tikisi, kad tai padės namų šildymo sistemai veikti dar geriau. Tai turėtų padidinti jo prieinamumą ir patrauklumą.

Jeffrey Grossman mano, kad nauji duomenys yra įdomūs. Šis tyrimas, jis aiškina, „demonstruoja tikrą šios technologijos naudojimą pasaulyje“. Grossmanas yra Kembridžo Masačusetso technologijos instituto medžiagų mokslininkas. Jis nedalyvavo tyrime.

Deepa Khushalani taip pat nebuvo. Ji yra chemijos ir medžiagų mokslininkė Tata fundamentinių tyrimų institute, Mumbajoje, Indijoje. Šiuo metu Khushalani mažiau džiaugiasi dėl naujų technologijų perspektyvų gaminti elektros energiją. Norėdama vairuoti turbiną ar kitą variklį, ji pažymi, kad molekulė turi išleisti pakankamai šilumos, kad vanduo taptų garu. Tai reiškia, kad sistema turėtų šildyti vandenį iki daugiau kaip 100 ° C (212 ° Fahrenheit). Baterijos, saugančios elektros energiją, yra praktiškesnis būdas panaudoti saulės energiją, įtariama.

Tačiau Moth-Poulsen planuoja gauti papildomą šilumą, reikalingą iš naujos energijos kaupimo molekulės. Jo komanda stengiasi, kad ji sugeria energiją iš geltonos ir oranžinės šviesos. Šildymas ir vėsinimas sudaro beveik pusę Europos Sąjungoje sunaudojamos energijos. „Jei [nauja technologija] gali tik nedidelį poveikį tai padaryti, tai turės didžiulį skirtumą“, - sako jis.

Maitinimo žodžiai

3-D Trumpas trimatis. Šis terminas yra būdvardis, turintis savybių, kurias galima apibūdinti trimis matmenimis - aukščiu, plotiu ir ilgiu.

atomas Pagrindinis cheminio elemento vienetas. Atomai yra sudaryti iš tankaus branduolio, kuriame yra teigiamai įkrautų protonų ir neapkrautų neutronų. Branduolį orbituoja neigiamo krūvio elektronų debesis.

baterija Prietaisas, kuris gali konvertuoti cheminę energiją į elektros energiją.

obligacijos (chemijoje) Pusiau nuolatinis ryšys tarp atomų - ar atomų grupių - molekulėje. Ją sudaro patraukli jėga tarp dalyvaujančių atomų. Sujungus atomus, jie veiks kaip vienetas. Norint atskirti komponentinius atomus, molekulai reikia tiekti energiją kaip šilumą ar kitą spinduliuotės tipą.

anglies Cheminis elementas, turintis atominį skaičių 6. Tai fizinis viso Žemės gyvenimo pagrindas. Anglis yra laisvai naudojamas kaip grafitas ir deimantas. Tai yra svarbi anglies, kalkakmenio ir naftos dalis, chemiškai geba savarankiškai susieti, kad sudarytų didžiulį kiekį chemiškai, biologiškai ir komerciškai svarbių molekulių.

katalizatorius Medžiaga, kuri padeda cheminei reakcijai veikti greičiau. Pavyzdžiai apima fermentus ir elementus, tokius kaip platina ir iridis.

cheminės medžiagos Medžiaga, sudaryta iš dviejų ar daugiau atomų, kurie sujungia (susieja) fiksuota proporcija ir struktūra. Pavyzdžiui, vanduo yra cheminė medžiaga, pagaminta, kai du vandenilio atomai jungiasi su vienu deguonies atomu. Jo cheminė formulė yra H 2 O. Chemija taip pat gali būti būdvardis apibūdinti medžiagų, kurios yra įvairių reakcijų tarp skirtingų junginių, savybes.

chemijos inzinierius Mokslininkas, kuris naudoja chemiją, sprendžiant problemas, susijusias su maisto, kuro, vaistų ir daugelio kitų produktų gamyba.

cheminė reakcija Procesas, apimantis medžiagos molekulių ar struktūros pertvarkymą, o ne fizinės formos (kaip nuo kietos medžiagos iki dujų) pokyčių.

chemija Mokslo sritis, kurioje nagrinėjama medžiagų sudėtis, struktūra ir savybės bei jų sąveika. Mokslininkai šią informaciją naudoja mokydamiesi nepažįstamų medžiagų, atgamina didelius naudingų medžiagų kiekius arba kurti ir kurti naujas ir naudingas medžiagas. (apie junginius) Chemija taip pat vartojama kaip terminas junginio receptui, jo gamybos būdui arba kai kurioms jo savybėms. Žmonės, dirbantys šioje srityje, yra žinomi kaip chemikai.

kolega Kažkas, kuris dirba su kitu; bendradarbis ar komandos narys.

elektros energijos Įkrovos srautas, paprastai iš neigiamo krūvio dalelių, vadinamų elektronais, judėjimo.

elektronas Negatyviai įkrauta dalelė, paprastai randama orbitoje, esančioje išoriniuose atomo regionuose; taip pat elektros energijos vežėjas kietosiose medžiagose.

variklis Mašina, skirta energijai paversti naudingu mechaniniu judesiu. Kartais variklis vadinamas varikliu. (kompiuterių moksle) Kompiuterių programa, vykdanti tam tikrą siaurą funkcijų spektrą.

inžinierius Asmuo, kuris naudoja mokslus problemų sprendimui. Kaip veiksmažodis, inžinierius reiškia sukurti prietaisą, medžiagą ar procesą, kuris išspręstų tam tikrą problemą ar nepatenkintą poreikį.

aplinkos mokslas Ekosistemų tyrimas, padedantis nustatyti aplinkos problemas ir galimus sprendimus. Aplinkos mokslai gali suburti daugelį sričių, įskaitant fiziką, chemiją, biologiją ir okeanografiją, kad suprastų, kaip veikia ekosistemos ir kaip žmonės gali kartu egzistuoti harmonijoje. Žmonės, dirbantys šioje srityje, yra žinomi kaip aplinkos mokslininkai.

Europos Sąjunga 28 Europos šalių konfederacija, sutikusi dirbti kartu taikiai. ES gyventojai gali laisvai judėti tarp savo valstybių ir parduoti prekes. Dauguma narių taip pat priėmė tą pačią valiutą, vadinamą euru.

iškastinis kuras Bet koks kuras, pvz., Akmens anglys, nafta (nafta) arba gamtinės dujos, kurios Žemėje išsivystė per milijonus metų nuo sugedusių bakterijų, augalų ar gyvūnų liekanų.

esminis Kažkas, kas yra pagrindinė ar tarnauja kaip kito dalyko ar idėjos pagrindas.

vandenilis Lengviausias elementas visatoje. Dujos yra bespalvės, bekvapės ir labai degios. Tai neatskiriama daugelio degalų, riebalų ir cheminių medžiagų, sudarančių gyvus audinius, dalis. Jis yra pagamintas iš vieno protono (kuris tarnauja kaip jo branduolys), kurį orbita vienas vienas elektronas.

naujoves (v. naujovių diegimas; naujoviškas) - esamos idėjos, proceso ar produkto, kuris yra naujas, protingas, veiksmingesnis ar praktiškesnis, pritaikymas ar tobulinimas.

skystis Medžiaga, kuri laisvai teka, bet išlaiko pastovų tūrį, pavyzdžiui, vandenį ar aliejų.

medžiagų mokslas Tyrimas, kaip medžiagos atominė ir molekulinė struktūra yra susijusi su visomis jo savybėmis. Medžiagų mokslininkai gali kurti naujas medžiagas arba analizuoti esamas medžiagas. Jų analizė apie medžiagos bendrąsias savybes (pvz., Tankį, stiprumą ir lydymosi temperatūrą) gali padėti inžinieriams ir kitiems tyrėjams pasirinkti medžiagas, kurios geriausiai tinka naujai programai. Mokslininkas, kuris dirba šioje srityje, yra žinomas kaip a medžiagų mokslininkas .

metanas Angliavandenilis, kurio cheminė formulė yra CH 4 (tai reiškia, kad yra keturi vandenilio atomai, prijungti prie vieno anglies atomo). Tai natūrali gamtinių dujų dalis. Jis taip pat skleidžiamas skaidant augalinę medžiagą šlapžemėse, o karvės ir kiti atrajotojų gyvuliai juos išlieja. Klimato požiūriu metanas yra 20 kartų stipresnis už anglies dioksidą, kai į atmosferą įgauna šilumą, todėl jis yra labai svarbus šiltnamio efektą sukeliančių dujų kiekis.

molekulės Elektriniu požiūriu neutralus atomų grupė, atitinkanti mažiausią galimą cheminio junginio kiekį. Molekulės gali būti pagamintos iš vieno tipo atomų arba skirtingų tipų. Pavyzdžiui, deguonis ore yra pagamintas iš dviejų deguonies atomų (O 2 ), bet vanduo yra pagamintas iš dviejų vandenilio atomų ir vieno deguonies atomo (H 2 O).

fizika Mokslinis medžiagos ir energijos pobūdžio tyrimas. Klasikinė fizika yra medžiagos ir energijos pobūdžio ir savybių, kurios remiasi aprašymais, pavyzdžiui, Niutono judėjimo įstatymais, paaiškinimas. Kvantinė fizika, vėliau atsiradusi studijų sritis, yra tikslesnis būdas paaiškinti medžiagos judesius ir elgesį. Tokiose srityse dirbantis mokslininkas yra žinomas kaip fizikas.

piramidė Monumentali struktūra su kvadratiniu arba trikampiu pagrindu ir nuožulniais kraštais, kurie atitinka tašką viršuje.

druska Junginys, pagamintas derinant rūgštį su baze (reakcijoje, kuri taip pat sukuria vandenį). Vandenyje yra daug skirtingų druskų - kartu vadinamų „jūros druska“. Bendroji valgomoji druska yra iš natrio ir chloro.

saulės energija Energija saulės šviesoje, kuri gali būti užfiksuota kaip šiluma arba paversta šiluma ar elektros energija. Kai kurie žmonės vadina vėjo energiją kaip saulės energijos formą. Priežastis: vėjai priklauso nuo temperatūros svyravimų ir oro tankio, kurį abu veikia oro, žemės ir paviršinio vandens saulės šildymas.

sustabdymas (chemijoje) Mišinys, kuriame dalelės yra disperguotos (arba. \ t sustabdytas ) per visą skysčio dalį.

technologijos Mokslinių žinių taikymas praktiniais tikslais, ypač pramonėje, arba prietaisų, procesų ir sistemų, kurios atsiranda dėl šių pastangų, taikymas.

turbina Įrenginys, turintis išplėstinius ranka panašius peilius (dažnai išlenktus), kad sugautų judantį skystį - viską iš dujų ar garo į vandenį - ir tada pakeiskite energiją tokiu judėjimu į sukamąjį judėjimą. Dažnai tai, kad sukamasis judesys sukels elektros energijos gamybos sistemą.

ultravioletiniai Šviesos spektro dalis, kuri yra artima violetinei, bet nematoma žmogaus akiai.

bangos ilgis Atstumas tarp vieno piko ir kito bangų serijoje arba atstumas tarp vieno lovelio ir kito. Tai taip pat yra vienas iš „rodiklių“, naudojamų spinduliuotei matuoti. Matoma šviesa, kuri, kaip ir bet kokia elektromagnetinė spinduliuotė, vyksta bangomis - apima bangos ilgius tarp maždaug 380 nanometrų (violetinė) ir apie 740 nanometrų (raudona). Radiacija, kurios bangos ilgis yra trumpesnis už matomą šviesą, apima gama spindulius, rentgeno spindulius ir ultravioletinę šviesą. Ilgesnės bangos ilgio spinduliuotė apima infraraudonųjų spindulių šviesą, mikrobangų krosneles ir radijo bangas.