Una nuova applicazione di nanotubi di carbonio, sviluppato dai ricercatori del MIT, dimostra che si potrà immagazzianare l’energia solare per utilizzarla solo nel momento del reale bisogno.
Memorizzare il calore del sole in forma chimica, piuttosto che convertirlo in energia elettrica o conservarlo sotto forma di calore in un contenitore molto isolato, ha notevoli vantaggi, in quanto in linea di principio il materiale chimico può essere conservato per lunghi periodi di tempo senza perdere l’energia immagazzinata . Il problema di questo approccio è stato che fino ad ora i prodotti chimici necessari per effettuare questa conversione e stoccaggio si degradavano in alcuni cicli, o includevano il rutenio, elemento che è raro e costoso.
L’anno scorso, il professore associato del MIT Jeffrey Grossman e quattro co-autori hanno capito esattamente come il fulvalene diruthenium, noto agli scienziati come il miglior composto chimico reversibile per immagazzinare energia solare, in quanto non degrada, era in grado di compiere questa impresa. Grossman disse allora che una migliore comprensione di questo processo avrebbe potuto rendere più facile la ricerca di altri composti, realizzati con materiali abbondanti e poco costosi, che avrebbero potuto essere utilizzati allo stesso modo.
Ora, lui e il dottor Alexie Kolpak sono riusciti a fare proprio questo. Un documento che descrive le nuove scoperte è appena stato pubblicato online sulla rivista Nano Letters.
Il nuovo materiale trovato da Grossman e Kolpak è realizzato con nanotubi di carbonio, minuscole strutture tubolari di carbonio puro, in combinazione con un composto chiamato azobenzene. Le molecole risultanti, prodotte utilizzando i modelli di scala nanometrica per dare forma e limitare la loro struttura fisica, hanno “nuove proprietà che non sono disponibili nei singoli diversi materiali”, dice Grossman, professore associato al Carl Richard Soderberg.
Non solo questo nuovo sistema chimico è meno costoso rispetto al composto precedente contenente il rutenio, ma è anche molto più efficiente a immagazzinare energia in una data quantità di spazio: circa 10.000 volte superiore per densità di energia volumetrica, dice Kolpak, paragonabile alle batterie ai litio-ioni. Utilizzando metodi di nanofabbricazione, “è possibile controllare le interazioni fra le molecole, aumentando la quantità di energia che possono memorizzare e la lunghezza del tempo durante il quale la possono memorizzare e, soprattutto, è possibile controllare le due cose in modo autonomo”, dice.
Lo stoccaggio termo-chimico dell’energia solare utilizza una molecola la cui struttura si modifica se esposta alla luce solare, e può rimanere stabile in quella forma a tempo indeterminato. Poi, se stimolata – da un catalizzatore, da un piccolo cambiamento di temperatura, da un lampo di luce – può tornare velocemente alla sua forma iniziale, rilasciando l’energia immagazzinata in calore. Grossman lo descrive come creare una batteria ricaricabile di calore di lunga durata, come una batteria convenzionale.
“Uno dei grandi vantaggi del nuovo approccio di sfruttamento dell’energia solare è che semplifica il processo, combinando la raccolta e lo stoccaggio dell’energia in un unico passaggio. Hai un materiale che converte e immagazzina energia”, dice Grossman. “E’ robusto, non si degrada, ed è a buon mercato.” Una limitazione, tuttavia, è che mentre questo processo è utile per le applicazioni di riscaldamento, per produrre energia elettrica richiederebbe un altro passo di conversione, utilizzando dispositivi termoelettrici o produzione di vapore per attivare un generatore.
Anche se il nuovo lavoro mostra la capacità di stoccaggio dell’ energia di uno specifico tipo di molecola, Grossman dice che il modo in cui è stato progettato il materiale comporta “un concetto generale che può essere applicato a molti nuovi materiali.” Molti di questi sono già stati sintetizzati da altri ricercatori per diverse applicazioni, e avrebbero semplicemente bisogno che le loro proprietà venissero messe a punto per lo stoccaggio di energia solare.
La chiave per il controllo dell’accumulo solare termico è una barriera di energia che separa i due stati stabili che la molecola può adottare: la comprensione dettagliata di questa barriera è stata centrale per le precedenti ricerche di Grossman su fulvalene dirunthenium. Una barriera troppo bassa avrebbe fatto tornare indietro la molecola al suo stato “scarico”, non riuscendo a immagazzinare energia per lunghi periodi; se la barriera era troppo alta, non sarebbe stata in grado di rilasciare con facilità la sua energia quando necessario. “La barriera deve essere ottimizzata”, dice Grossman.
Yosuke Kanai, professore di chimica presso la University of North Carolina a Chapel Hill, dice che “l’idea di immagazzinare energia solare reversibilmente in legami chimici sta guadagnando un sacco di attenzione in questi giorni. La novità di questo lavoro è che questi autori hanno dimostrato che la densità di energia può essere notevolmente aumentata utilizzando nanotubi di carbonio come modelli su scala nanometrica. Questa idea innovativa apre anche una strada interessante per rimodellare molecole fotoattive già note per il solare termico e per il deposito dei carburanti in generale. “