Materiál by mohl sklidit sluneční světlo ve dne, uvolňovat teplo na požadavek hodiny nebo dny později

ДОКЛАД ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА. ВИДЕО-ВЕРСИЯ. ALLATRA SCIENCE (Červenec 2019).

Anonim

Představte si, že vaše oblečení by mohlo na požádání uvolnit jen tolik tepla, aby vás udržovalo v teple a útulnosti, což vám umožňuje volat zpět na nastavení termostatu a zůstat pohodlně v chladnější místnosti. Nebo si představte automobilové čelní sklo, které uchovává energii slunce a pak ji uvolní jako výbuch tepla, aby roztavila vrstvu ledu.

Podle týmu výzkumníků z MIT mohou být oba scénáře možné předtím díky novému materiálu, který dokáže skladovat sluneční energii během dne a uvolňovat ji později jako teplo, kdykoli to bude zapotřebí. Tento transparentní polymerní film by mohl být aplikován na mnoho různých povrchů, jako je sklo nebo oblečení.

Přestože slunce je prakticky nevyčerpatelným zdrojem energie, je k dispozici jen asi polovinu času, který jej potřebujeme - během denního světla. Aby se slunce stalo hlavním poskytovatelem energie pro lidské potřeby, musí existovat účinný způsob, jak ho zachránit pro použití během nočních a bouřlivých dnů. Většina těchto snah se soustředila na skladování a obnovu sluneční energie ve formě elektřiny, ale nové zjištění by mohlo poskytnout vysoce účinnou metodu pro skladování energie slunce prostřednictvím chemické reakce a uvolnění později jako teplo.

Zjištění, profesor MIT Jeffrey Grossman, postdoktor David Žitomirský a postgraduální student Eugene Cho jsou popsány v časopise Advanced Energy Materials. Klíčem k dlouhodobému a stabilnímu uskladnění slunečního tepla je, podle týmu, jeho skladování ve formě chemické změny, spíše než ukládání samotného tepla. Zatímco teplo se nevyhnutelně rozptyluje v průběhu času bez ohledu na to, jak dobře je izolace kolem něj, může chemický zásobní systém udržet energii neurčitě ve stabilní molekulární konfiguraci, dokud jeho uvolnění nebude vyvoláno malým výbojem tepla (nebo světla nebo elektřiny).

Molekuly s dvěma konfiguracemi

Klíč je molekula, která může zůstat stabilní ve dvou různých konfiguracích. Když jsou vystaveny slunečnímu záření, energie světla nakopíruje molekuly do jejich "nabité" konfigurace a mohou tak dlouho zůstat. Poté, když jsou vyvolány velmi specifickou teplotou nebo jiným podnětem, molekuly se vracejí zpět do původního tvaru, čímž uvolňují teplo v procesu.

Takové chemické skladovací materiály, známé jako solární tepelná paliva (STF), byly vyvinuty dříve, včetně předchozí práce Grossman a jeho týmu. Ale ty dřívější snahy "měly omezenou užitečnost v aplikacích v pevném stavu", protože byly navrženy tak, aby byly použity v kapalných prostředích a nebyly schopny vytvářet trvanlivé pevné filmy, tvrdí Zhitomirský. Nový přístup je první, založený na pevném materiálu, v tomto případě polymeru a první založený na levných materiálech a rozsáhlé výrobní technologii.

"Tato práce představuje vzrušující cestu pro současný odběr a skladování energie v jednom materiálu, " říká Ted Sargent, univerzitní profesor na University of Toronto, který se na tomto výzkumu nezúčastnil.

Výroba nového materiálu vyžaduje pouze dvoustupňový proces, který je "velmi jednoduchý a velmi škálovatelný", říká Cho. Systém je založen na dřívější práci, která byla zaměřena na vývoj solárního sporáku, který by mohl uchovávat sluneční teplo pro vaření po západu slunce, ale "s tím byly problémy, " říká. Tým si uvědomil, že pokud by teplo-skladovací materiál mohl být vyroben ve formě tenkého filmu, mohl by být "začleněn do mnoha různých materiálů", říká, včetně skla nebo dokonce tkaniny.

Aby byl film schopen ukládat užitečné množství tepla a zajistit, aby mohl být vyroben snadno a spolehlivě, tým začal s materiály nazývanými azobenzeny, které mění svou molekulární konfiguraci v reakci na světlo. Azobenzeny pak mohou být stimulovány malým pulsem tepla, vrátit se do původní konfigurace a uvolnit mnohem více tepla v procesu. Vědci změnili chemii materiálu, aby zlepšili svou energetickou hustotu - množství energie, kterou lze uložit pro danou váhu - schopnost vytvářet hladké a rovnoměrné vrstvy a její schopnost reagovat na aktivační tepelný impuls.

Prolomení ledu

Materiál, na kterém skončili, je vysoce transparentní, což by mohlo být užitečné pro odmrazování automobilových čelních skel, říká Grossman, Morton a Claire Goulder a profesor rodiny v oblasti životního prostředí a profesor vědy a inženýrství materiálů. Zatímco mnoho automobilů již má pro tento účel vestavěné jemné topné dráty, zadní okna jsou za tímto účelem zakázána cokoli, co blokuje výhled skrze čelní okno, zákonem, dokonce tenkými dráty. Ale průhledná fólie vyrobená z nového materiálu, vložená mezi dvě vrstvy skla, jak je v současné době provedena s lepicími polymery, aby se zabránilo tomu, že se při nehodě rozletí kousky rozbitého skla, by mohl poskytnout stejný odmrazovací účinek bez jakéhokoli zablokování. Německá automobilka BMW, sponzor tohoto výzkumu, má zájem o tuto potenciální aplikaci, říká.

Při takovémto okně by byla energie v polymeru uložena pokaždé, když auto sedí na slunci. Pak "když to spustíš, " když použiješ jen malé množství tepla, které by mohlo být zajištěno topným drátem nebo nafukovacím vzduchem, "dostaneš tento výbuch tepla, " říká Grossman. "Udělali jsme testy, které vám ukáží, že byste dostali dostatek tepla, abyste z čelního skla zmrazili led." Dokončení toho, vysvětluje, nevyžaduje, aby se celý led skutečně roztavil, jen to, že led, který se nejblíže k sklu roztavil natolik, aby poskytl vrstvu vody, která uvolňuje zbytek ledu, aby se vysunula gravitací nebo aby byla odtlačena stranou od stěračů předního skla.

Tým pokračuje v práci na zlepšení vlastností filmu, říká Grossman. Materiál má v současné době mírně nažloutlý nádech, takže vědci pracují na zlepšení transparentnosti. A může uvolnit prasknutí asi o 10 stupňů Celsia nad okolní teplotou - dostatečné pro aplikaci tání ledu - ale snaží se to zvýšit na 20 stupňů.

Systém, který existuje již nyní, může být významným přínosem pro elektromobily, které věnuje toliko energii vytápění a odmrazování, že jejich řady mohou v chladných podmínkách klesnout o 30 procent. Nový polymer by mohl výrazně snížit tento odtok, tvrdí Grossman.

"Tento přístup je inovativní a výrazný, " říká Sargent z University of Toronto. "Výzkum je velkým pokrokem směrem k praktickému použití materiálů pro ukládání a ukládání tepla do pevných látek z vědeckého i technického hlediska."

menu
menu