Una nuova applicazione dei nanotubi di carbonio, sviluppato da ricercatori del MIT, si mostra promettente come approccio innovativo allo stoccaggio dell'energia solare da utilizzare ogni volta che è necessario.

L'immagazzinamento del calore del sole in forma chimica, piuttosto che convertirlo in elettricità o immagazzinare il calore stesso in un contenitore fortemente isolato, presenta vantaggi significativi, poiché in linea di principio il materiale chimico può essere immagazzinato per lunghi periodi di tempo senza perdere l'energia immagazzinata. Il problema con questo approccio è stato che fino ad ora le sostanze chimiche necessarie per eseguire questa conversione e conservazione si sono degradate in pochi cicli, o incluso l'elemento rutenio, che è raro e costoso.

L'anno scorso, Il professore associato del MIT Jeffrey Grossman e quattro coautori hanno capito esattamente come il fulvalene dirutenio, noto agli scienziati come la migliore sostanza chimica per immagazzinare in modo reversibile l'energia solare, poiché non si è degradato, è stato in grado di compiere questa impresa. Grossman disse all'epoca che una migliore comprensione di questo processo avrebbe potuto rendere più facile la ricerca di altri composti, fatto di materiali abbondanti e poco costosi, che potrebbe essere utilizzato allo stesso modo.

Ora, lui e il postdoc Alexie Kolpak sono riusciti a fare proprio questo. Un articolo che descrive le loro nuove scoperte è stato appena pubblicato online sulla rivista Nano lettere , e apparirà in stampa in un prossimo numero.

Il nuovo materiale scoperto da Grossman e Kolpak è realizzato utilizzando nanotubi di carbonio, minuscole strutture tubolari di puro carbonio, in combinazione con un composto chiamato azobenzene. Le molecole risultanti, prodotti utilizzando modelli su scala nanometrica per modellare e vincolare la loro struttura fisica, ottenere “nuove proprietà che non sono disponibili” nei materiali separati, dice Grossman, il Professore Associato Carl Richard Soderberg di Ingegneria Energetica.

Non solo questo nuovo sistema chimico è meno costoso del precedente composto contenente rutenio, ma è anche molto più efficiente nell'immagazzinare energia in una data quantità di spazio - circa 10, 000 volte superiore nella densità di energia volumetrica, Kolpak afferma, rendendo la sua densità energetica paragonabile alle batterie agli ioni di litio. Utilizzando metodi di nanofabbricazione, “puoi controllare le interazioni [delle molecole], aumentare la quantità di energia che possono immagazzinare e il periodo di tempo per cui possono immagazzinarla e, soprattutto, puoi controllare entrambi in modo indipendente, "dice lei.

Lo stoccaggio termochimico dell'energia solare utilizza una molecola la cui struttura cambia se esposta alla luce solare, e può rimanere stabile in quella forma indefinitamente. Quindi, quando spinto da uno stimolo - un catalizzatore, un piccolo cambiamento di temperatura, un lampo di luce:può tornare rapidamente alla sua altra forma, liberando la sua energia immagazzinata in uno scoppio di calore. Grossman lo descrive come la creazione di una batteria di calore ricaricabile con una lunga durata, come una batteria convenzionale.

Uno dei grandi vantaggi del nuovo approccio allo sfruttamento dell'energia solare, Grossman dice, è che semplifica il processo combinando la raccolta e lo stoccaggio di energia in un unico passaggio. “Hai un materiale che converte e immagazzina energia, "dice. “È robusto, non si degrada, ed è economico." Una limitazione, però, è che mentre questo processo è utile per le applicazioni di riscaldamento, produrre elettricità richiederebbe un altro passaggio di conversione, utilizzando dispositivi termoelettrici o producendo vapore per far funzionare un generatore.

Mentre il nuovo lavoro mostra la capacità di accumulo di energia di un tipo specifico di molecola - nanotubi di carbonio funzionalizzati con azobenzene - Grossman afferma che il modo in cui il materiale è stato progettato implica "un concetto generale che può essere applicato a molti nuovi materiali". già sintetizzato da altri ricercatori per diverse applicazioni, e avrebbero semplicemente bisogno di mettere a punto le loro proprietà per l'accumulo termico solare.

La chiave per controllare l'accumulo termico solare è una barriera energetica che separa i due stati stabili che la molecola può adottare; la comprensione dettagliata di tale barriera è stata fondamentale per la precedente ricerca di Grossman sul fulvalene dirunthenium, conto della sua stabilità a lungo termine. Una barriera troppo bassa, e la molecola ritornerebbe troppo facilmente al suo stato "scaricato", incapacità di immagazzinare energia per lunghi periodi; se la barriera fosse troppo alta, non sarebbe in grado di rilasciare facilmente la sua energia quando necessario. “La barriera deve essere ottimizzata, "dice Grossman.

Già, il team sta "guardando molto attivamente a una gamma di nuovi materiali, "dice. Sebbene abbiano già identificato l'unico materiale molto promettente descritto in questo documento, lui dice, “Lo vedo come la punta dell'iceberg. Siamo piuttosto elettrizzati al riguardo".

Yosuke Kanai, assistente professore di chimica presso l'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill, dice “l'idea di immagazzinare in modo reversibile l'energia solare in legami chimici sta guadagnando molta attenzione in questi giorni. La novità di questo lavoro è il modo in cui questi autori hanno dimostrato che la densità di energia può essere notevolmente aumentata utilizzando i nanotubi di carbonio come modelli su scala nanometrica. Questa idea innovativa apre anche una strada interessante per adattare molecole fotoattive già note per i combustibili solari termici e lo stoccaggio in generale”.