Представьте себе одежду или, например, стекла в автомобилях и оконных проемах, которые способны собирать и накапливать энергию солнечного света в течение дня и отдавать потребителю в виде тепла в нужный момент времени – через час, два или несколько дней. Именно такой способ утилизации бесплатной энергии нашего светила предложили ученые Массачусетского технологического института. Разработанная в лаборатории MIT тонкая полимерная пленка – первый не жидкий материал с подобными свойствами, который не только успешно справляется со всеми тремя функциями, но и доступен по цене, прост в изготовлении и применении. О новом материале и перспективах его использования мы расскажем ниже.

Собирать, хранить в течение нужного времени и после преобразовывать в тепло энергию Солнца, используя тонкую полимерную пленку предложили ученые Массачусетского технологического института Давид Житомирский (David Zhitomirsky), профессор Джэффри Гроссман (Jeffrey Grossman) и аспирант Юджи́н Чо (Eugene Cho). Пленка, которая может быть нанесена на различные поверхности состоит из трех слоев, толщиной от 4 до 5 микрон каждый.

Особенности созданного материала позволяют найти ему применение в самых разных областях. В качестве примеров ученые приводят одежду, способную согреть в нужной степени тогда, когда это необходимо или, к примеру, лобовое стекло автомобиля, способное накапливать энергию солнца днем и дозировано высвобождать ее в виде тепла тогда, когда нужно освободиться от наледи. Список перспективных направлений, где можно использовать эту технологию при определенных доработках уже сейчас и в перспективе можно было бы значительно удлинить.

Существующие решения, предлагающие накапливать и полезно использовать солнечную энергию в качестве конечного продукта трансформации предлагают электричество, в то время как технология ученых из Массачусетса предлагает использовать для накопления энергии связи, образующиеся в результате химической реакции и преобразовывать собранную в светлое время суток солнечную энергию не в электрическую, а в тепловую. Оригинальность и ценность метода состоит в том, что энергия, накапливаемая в виде устойчивых химических соединений, способна “храниться” в тонкой полимерной пленке в стабильной молекулярной конфигурации столько времени, сколько необходимо до востребования. А для активации процесса передачи уже накопленной энергии потребителю потребуется использовать внешний стимулирующий фактор-катализатор – воздействие тепла, света или электричества. В результате молекулярная структура соединения переходит в свое первоначальное низкоэнергетическое состояние, что и сопровождается выделением накопленной энергии в виде тепла. Естественно, затраченная для активации процесса высвобождения тепла энергия оказывается значительно меньше высвобождаемой.

Стоит отметить, что описанный принцип не нов – материалы, способные накапливать солнечную энергию (STF) за счет протекающей под воздействием света химической реакции уже были предложены ранее, в частности, в работах того же профессора Гроссмана и Ко. Но до сих пор сфера их применения ограничивалась жидкими растворами, в то время, как их использование в сочетании с плотными материалами оставалась за пределами возможностей.

“Предложенная пленка полимер – говорит Давид Житомирский, – первый материал, который может наноситься на плотные и твердые поверхности, по ключевым показателям полностью удовлетворяет поставленным целям, прост в производстве и доступен по себестоимости”.

“Эта работа открывает впечатляющие перспективы применения одного и того же материала для одновременного сбора и хранения энергии” – комментирует новинку Тед Сарджент (Ted Sargent), профессор Университета Торонто, не принимавший участия в исследовании.

“Технологический процесс производства проходит всего в два этапа, предельно прост и легко масштабируем” – делится своим мнением Чо.

Переломным моментом в истории разработки стало понимание того, что с задачей накапливать, сохранять и отдавать тепло в нужное время вполне сможет справиться тонкая полимерная пленка. Именно такое решение делает материал практически универсальным, с равным успехом используемым как на стекле и поверхности одежды, так и на “подложке” из других плотных материалов.

Съемка инфракрасной камерой, демонстрирующая уровень интенсивности и потенциал (рис. 4 Full Screen) происходящих процессов. Шкала температур.

В качестве материала-основы со свойствами, в первом приближении соответствующими поставленным целям были использованы азобензолы. Располагая способностью накапливать энергию света при переходе из первой формы во вторую, эти соединения, с другой стороны, удобны тем, что требуют минимальной порции энергии для обратного преобразования молекулярной структуры и высвобождения всей накопленной тепловой энергии. В отсутствии перечисленных выше внешних воздействий молекулы азобензола могут пребывать в одном из двух возможных стабильных состояний неопределенное время.

С целью обеспечения более высоких показателей энергетической плотности, однородности накапливаемой энергии и чувствительности пленки к внешнему воздействию ученые модифицировали первоначальную химическую формулу соединения. В итоге был получен почти полностью прозрачный пленочный материал (присутствует легкий желтоватый оттенок) с нужными физическими и химическими свойствами.

Прозрачность, по мнению Гроссмана, — именно то качество, которое позволит использовать пленку в качестве антиобледенительного элемента, помещенного между двумя слоями автомобильного стекла. При этом упраздняется необходимость в нагревательных проводах, используемых в современных антиобледенительных системах. Потенциальную заинтересованность в использовании разработанной технологии уже проявил концерн BMW, выступивший ключевым спонсором проекта – поделился профессор. Такие стекла позволят накапливать энергию каждый раз, когда автомобиль простаивает в освещенном месте. В нужный момент, после запуска двигателя, для активации режима тепловой отдачи будет достаточно кратковременного стимулирующего импульса от одного нагревательного провода.

”Мы провели серию тестов, подтверждающих эффективность предложенного принципа и возможность избавиться от слоя льда на лобовом стекле. При этом, даже в том случае, если этот слой достаточно толст, для освобождения от него достаточно растопить площадь наледи, вплотную прилегающую к стеклу. Оставшаяся часть, под воздействием силы тяжести соскальзывает сама” – утверждает Гроссман.

Несмотря на достигнутые успехи, ученые продолжают работать над совершенствованием формулы и структуры материала с целью повысить коэффициенты прозрачности и энергетической плотности. На сегодняшний день активированная пленка способна прогреться до 10 °C выше температуры окружающей среды и имеет чуть заметный желтоватый оттенок, а ближайшая цель команды – преодоление следующего барьера в 20 °C и новое качество прозрачности материала. Но уже существующее решение, как утверждает Гроссман, способно значительно упростить жизнь водителей электромобилей, сократив вынужденный расход батареи, связанный с борьбой с наледями в холодное время на 30%.

“С научной, инженерной и экономической точки зрения технология, позволяющая запасать энергию светового потока, сохранять ее на уровне химического соединения и отдавать в виде тепловой энергии, реализованная в недорогих «твердотельных» носителях сегодня является уникальной и инновационной” – считает профессор Сарджент из Университета Торонто.