SOLARNA ENERGIJA
Ivan Kremer
Pomoću zakrivljenih organskih molekula
Ili MOST strategija ili...
Derivati organskog poliaromatičnog jedinjenja antracena u stanju su da efikasno skladište solarnu energiju u zakrivljenom obliku i predstavljaju dobre kandidate za strategiju poznatu kao Molekularno solarno-termalno skladištenje energije, skraćeno MOST.
Za široku upotrebu solarne energije, usled smenjivosti dana i noći, odnosno nekonzistentnosti solarne energije kao izvora, potreban je pouzdan i efikasan način skladištenja energije. Potreban je sistem koji bi tokom dana prikupljao i skladištio višak solarne energije, a kasnije, u toku noći, odnosno perioda odsustva Sunčevog zračenja, otpuštao taj višak energije u mrežu. Time bi bio premošćen problem nepouzdanosti solarne energije u kontekstu kontinuiranog napajanja. Tokom prethodnih godina, razvijane su različite tehnologije u tu svrhu, poput recimo baterija na bazi gvožđa, odnosno reverzibilnog rđanja (kompanija Form Energy). To je, naravno, primer hemijskog skladištenja energije. Alternativni pristupi uključuju mehaničko skladištenje, u vidu pumpi za vodu ili sabijanja vazduha, ili termalno skladištenje, u vidu topljenja soli.
Još jedan od načina hemijskog skladištenja energije jeste njeno zarobljavanje u zakrivljenim organskim molekulima. Ovaj pristup uključuje izlaganje određenih organskih molekula svetlosti, pri čemu oni menjaju svoju geometriju, prelazeći u „napetiji“ oblik, u čijim iskrivljenim vezama se skladišti apsorbovana energija svetlosti. Naime, molekuli nekog jedinjenja prirodno zauzimaju onu geometriju, odnosno one vrednosti dužina i uglova veza, koje odgovaraju približno najmanjoj mogućoj energiji veza. Razlog tome leži u činjenici da su takvi, niskoenergetski oblici generalno najstabilniji. Kada se neki organski molekuli izlažu izvorima energije, poput UV zračenja ili zračenja vidljive svetlosti, oni apsorbuju energiju iz zračenja, menjajući vrednosti dužina i uglova veza, prelazeći u visokoenergetske, napetije, zakrivljene oblike. Pri tom procesu, energija elektromagnetnog zračenja konvertuje se u hemijsku. U određenim slučajevima, moguće je kontrolisano otpuštanje uskladištene energije po potrebi, izazvano spoljnim uticajem, poput katalizatora, vidljive svetlosti specifične talasne dužine, ili pak kratkim zagrevanjem. Tada se energija oslobađa u vidu toplote i zbog toga se ovaj način naziva Molekularno solarno – termalno skladištenje energije (MOST). Ovaj pristup je pogodan za rešavanje problematike kontinuiranosti solarne energije kao izvora jer omogućava dugoročno skladištenje energije. Dosadašnji primeri jedinjenja kandidata za ovaj pristup posedovali su određene mane i ograničenja, poput činjenice da su odabrani molekuli apsorbovali samo UV zračenje, propuštajući veliki deo energije Sunčevog zračenja, odnosno deo spektra koji obuhvata vidljiva svetlost, ili im je bio potreban organski rastvarač, što je onda posledično smanjivalo efikasnost apsorpcije energije.
Devarova izomerizacija alkil-derivata antracena |
Kandidati za MOST strategiju
Američki i japanski istraživači, u junu 2025. godine, u časopisu “Chem“, objavili su zanimljiv rad koji predlaže upotrebu derivata jedinjenja antracena za skladištenje energije MOST strategijom. Antracen je policiklični aromatični molekul koji se sastoji od tri međusobno spojena aromatična benzenova prstena, prirodno dostupan u kameno-ugljenoj smoli. U nativnoj konfiguraciji, antracen zauzima planarni, odnosno nezakrivljen oblik. Prilikom procesa poznatog kao Devarova izomerizacija aromatični molekuli, pri izlaganju zračenju, prelaze u napetije zakrivljene nearomatične oblike, apsorbujući energiju. Ovaj proces i upotreba aromatičnih jedinjenja predstavljaju jedne od logičnih kandidata za MOST strategiju skladištenja energije. U slučaju izlaganja samog antracena Devarovoj izmoerizaciji, teorijski bi se samo srednji prsten dearomatizovao, a ceo molekul zakrivio, tako da se dva ostala prstena savijaju u stranu. Međutim, antracen nije podložan Devarovoj izomerizaciji, odnosno kako istraživači u ovom radu zaključuju, antracen gradi metastabilan Devarov izomer.
Sa druge strane, njegovi derivati, molekuli koji u osnovi sadrže kostur antracena, ali poseduju i druge grupe kao supstituente, poput recimo alkil grupa, podležu Devarovoj izomerizaciji. U pomenutom radu, prijavljeno je da je najpre računarskim metodama zaključeno da derivatizacija antracena omogućuje Devarovu izomerizaciju i da su zbog toga sintetisana četiri različita derivata antracena koji sadrže glomaznije alkil-grupe na poziciji 9, na gornjem delu srednjeg prstena. Uvođenje glomaznijih alkil-supstituenata na srednjem prstenu povećava intramolekulski napon i olakšava njegovu dearomatizaciju i savijanje celog molekula. Ono takođe prostorno sprečava tendenciju običnog planarnog antracena da se fotodimerizuje, odnosno spoji sa još jednim molekulom antracena, postavljenim iznad njega, pod uticajem UV zračenja, što bi onda, kao kompetativni proces, onemogućilo željeno Devarovo zakrivljenje molekula i posledično skladištenje energije.
Sintetisani alkil-derivati antracena, za razliku od konkurentnih kandidata za MOST strategiju, pri eksperimentalnoj proveri, bili su u stanju da apsorbuju i vidljivu svetlost, podležući Devarovoj izomerizaciji, prelazeći u zakrivljenije oblike i čuvajući energiju, a da im pritom nije bio potreban rastvarač, s obzirom da su se nastali visokoenergetski zakrivljeni oblici nalazili u tečnom agregatnom stanju. Drugim rečima, upotrebom ovih derivata antracena prevazilaze se dva značajna ograničenja prisutna kod konkurentnih kandidata za MOST strategiju skladištenja, odnosno, prevazilaze se nemogućnost apsorpcije vidljive svetlosti i potreba za organskim rastvaračima. Kako je u radu navedeno, dostignuta je visoka energetska gustina pri skladištenju u iznosu od 70 kJ/mol, odnosno 0,65 MJ/kg, što ove derivate antracena, u pogledu efikasnosti, stavlja u rang ostalih kandidata za široku praktičnu upotrebu MOST strategije skladištenja energije. Jedan od derivata bio je u stanju da izdrži čak 28 ciklusa „punjenja“ i „pražnjenja“ bez značajnije degradacije. Za izazivanje otpuštanja energije korišćeno je izlaganje toploti, a punjenje kod svih derivata trajalo je između šest i osam časova, upotrebom simulirane Sunčeve svetlosti.
Izbor ugljovodoničnih molekula i MOST strategije za skladištenje solarne energije, pogodan je i sa ekonomskog i sa ekološkog stanovišta, jer se njime izbegavaju skuplje i štetnije supstance, poput olova, cinka, gvožđa, litijuma, ugljeničnih nanostruktura...
Ivan Kremer
Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"
|
