Vědci uvěznili slunce do molekuly: Teplo na počkání bez baterií, i měsíce po nabití

Molekula jako nabitá pružina

Klíčem k celému systému je molekula zvaná pyrimidon. Na první pohled nenápadná látka skrývá mimořádnou vlastnost: pod ultrafialovým zářením se zkroutí do takzvaného Dewarova izomeru — vysoce napjaté, energeticky nabité konfigurace. A v tomto stavu vydrží stabilní po celé měsíce i roky, aniž by energii samovolně ztrácela.

Vedoucí vědeckého týmu, docentka Grace Han z katedry chemie a biochemie UCSB, přirovnává tuto molekulu ke stlačené pružině. „Materiál samotný je schopen energii ukládat," říká Han. „Není potřeba žádný externí akumulátor." Stačí pak přidat katalyzátor — v laboratoři zatím ve formě kyseliny — a pružina se rozvolní. Uvolněné teplo je okamžitě k dispozici.

Výsledek? Tým demonstroval, že materiál dokáže uvařit vodu za běžných podmínek. To byl dosud obtížně dosažitelný milník v celém oboru solárního termálního skladování.

Hustota energie překonává lithiové baterie

Čísla jsou pozoruhodná. Pyrimidonový systém dosahuje energetické hustoty přes 1,6 megajoulu na kilogram — přičemž standardní lithium-iontová baterie, na níž jezdí elektromobily a zásobují domácí solární systémy, dosahuje zhruba 0,9 MJ/kg. Nová molekula je tedy téměř dvakrát výkonnější co do množství uložené energie na kilogram hmotnosti.

Srovnání je přitom relevantní: zatímco klasická baterie ukládá energii jako elektřinu, molekulární systém MOST (Molecular Solar Thermal Storage) ukládá energii jako teplo. A teplo — vytápění budov, ohřev vody, průmyslové procesy — představuje přibližně polovinu veškeré světové spotřeby energie. To je obrovský trh, který dosud solární panely pokrývají jen nepřímo a neefektivně.

Inspirace přímo z DNA

Odkud se vzal nápad? Tým prof. Han se nechal inspirovat samotnou strukturou DNA. Výpočetní modelování pomohlo vědcům pochopit, jak přestavba molekuly při dopadu světla funguje, a na tomto základě navrhli pyrimidon — látku odvozenou od stavebních kamenů genetické informace. Systém navíc pracuje bez rozpouštědel a je kompatibilní s vodním prostředím, což výrazně usnadňuje praktické použití.

Výzkum byl podpořen prestižním Moore Inventor Fellowship, grantem určeným pro vědecké vynálezce s potenciálem měnit obor.

Co to znamená pro běžného člověka?

Vědci vidí nejbližší uplatnění v decentralizovaných tepelných systémech — tedy tam, kde není přístup k elektrické síti nebo kde je levnější využívat přímé sluneční teplo než je nejprve přeměňovat na elektřinu a pak zpět na teplo. Konkrétní scénáře zahrnují:

• Ohřev vody v domácnostech — solární kolektor na střeše „nabíjí" molekulární kapalinu přes den, která v noci vydá teplo na ohřev vody bez jakékoliv baterie nebo zásobníku elektřiny.
• Vytápění off-grid objektů — chaty, turistické základny nebo domky bez připojení na síť by mohly fungovat zcela autonomně na sluneční teplo zachycené v létě.
• Průmyslové nízkoteplotní procesy — chemické či potravinářské provozy, které potřebují teplo do 100 °C, by mohly výrazně snížit spotřebu fosilních paliv.

Pokud by se technologie podařilo rozšířit, mohla by zásadně proměnit způsob, jakým vytápíme budovy — bez složitých baterií, bez ztráty energie při přeměně na elektřinu a zpět.

Co ještě zbývá vyřešit

Bylo by nespravedlivé přehlédnout výzvy, které před výzkumníky ještě stojí. Pyrimidon v současné podobě absorbuje především ultrafialové záření, které tvoří jen malou část celkového slunečního spektra. Aby byl systém prakticky použitelný, je třeba molekulu upravit tak, aby reagovala i na viditelné světlo — a to je chemicky náročný problém.

Druhý otazník visí nad katalyzátorem: zatímco kyselina použitá v laboratoři funguje spolehlivě, pro reálné aplikace bude potřeba vyvinout pevné, opakovaně použitelné katalyzátory, které nevyžadují regeneraci ani likvidaci chemikálií po každém cyklu.

Přechod od laboratorní lahvičky k produktu na střeše rodinného domu bývá v energetickém průmyslu dlouhý. Ale základní fyzikální a chemická demonstrace — molekula zachytí slunce, uchová ho a uvolní jako teplo k varu vody — je nyní zdokumentována v časopise Science. To je základ, na kterém lze stavět.

Česko a tepelná energetika: kde jsme?

Pro Českou republiku má tento objev zvláštní relevanci. Topení tvoří v českých domácnostech největší část spotřeby energie — a velká část z ní stále pochází ze zemního plynu nebo uhlí. Solární termální systémy sice na tuzemských střechách existují, ale jejich schopnost ukládat energii přes noc nebo na zimní měsíce je omezená. Molekulární tepelné akumulátory by tento problém mohly jednou provždy vyřešit — a přiblížit domy k energetické soběstačnosti, která v době geopolitické nestability a rostoucích cen energií nabývá na hodnotě.

Výzkum je zatím ve fázi základního vědeckého výzkumu. Ale směr je jasný: sluneční energii lze uzamknout do molekuly. A pak ji pustit přesně tehdy, kdy ji potřebujete.