Küresel enerji tüketiminin yaklaşık yarısı ısınma ihtiyacından kaynaklanıyor ve bunun üçte ikisi halen doğal gaz, petrol ve kömür gibi fosil yakıtların yakılmasıyla karşılanıyor. Elektrik tarafında güneş enerjisinin depolanması için lityum-iyon bataryalarda önemli mesafe kat edilmiş olsa da ısıyı uzun süreli ve verimli biçimde depolamak büyük bir mühendislik problemi olmaya devam ediyor. ABD’deki araştırmacılar ise bu soruna çözüm olabilecek dikkat çekici bir kimyasal sistem geliştirdi. Kaliforniya Üniversitesi Santa Barbara bünyesinde çalışan ekip, güneş ışığını moleküler bağlarda depolayarak aylar sonra ısı olarak geri verebilen yeni bir sıvı yakıt geliştirdi.
Moleküler güneş termal depolama nedir?
Bu yaklaşım, “Molecular Solar Thermal” (MOST) adı verilen ve onlarca yıldır teorik olarak umut vadeden bir enerji depolama konseptine dayanıyor. Konseptin temel fikri olukça basit. Güneş ışığı bir molekülün yapısını değiştiriyor, böylece enerji kimyasal bağlarda hapsediliyor. Daha sonra uygun bir tetikleyiciyle bu molekül eski haline dönerken depolanan enerji ısı olarak açığa çıkıyor. Ancak geçmişte geliştirilen MOST sistemleri düşük enerji yoğunluğu, hızlı bozunma veya toksik çözücü gereksinimi gibi sorunlar nedeniyle pratik kullanıma ulaşamadı.
Çözüm güneş yanığında bulundu
Araştırma ekibine liderlik eden Han P. Nguyen, çözüm için biyolojiden ilham aldı. Güneş yanığının DNA üzerinde oluşturduğu hasar mekanizması bu noktada belirleyici oldu.
Yoğun ultraviyole (UV) ışınlarına maruz kalındığında DNA’daki timin bazları arasında “(6-4) lezyon” adı verilen bir bağ oluşuyor. Daha fazla UV ışığı ise bu yapıyı “Dewar izomeri” olarak bilinen farklı ve daha gerilimli bir forma dönüştürüyor. Bu yapı DNA sarmalında bozulmalara yol açabiliyor. Canlılarda bu hasarı onarmak için fotoliyaz adlı bir enzim devreye girerek molekülü tekrar kararlı haline döndürüyor. Araştırmacılar, Dewar izomerinin aslında bir “moleküler pil” gibi davrandığını fark etti. Çünkü bu yapı eski haline dönerken önemli miktarda ısı açığa çıkarıyor. Ekip, bu geri dönüş sürecini kontrollü ve tekrar edilebilir bir enerji depolama mekanizmasına dönüştürmeyi hedefledi.
Araştırmacılar, DNA’daki timine kimyasal olarak benzeyen 2-pirimidon türevi bir molekül sentezledi. Bu molekül güneş ışığına maruz kaldığında güvenilir biçimde Dewar izomerine dönüşecek, ihtiyaç anında ise tekrar eski haline geçecek şekilde tasarlandı.
Ortaya çıkan sistem, güneş ışığı altında “şarj olan”, ısı gerektiğinde enerjisini serbest bırakan ve ardından yeniden şarj edilebilen bir yakıt işlevi görüyor.
Sistem sadece teorik olarak değil, enerji yoğunluğu açısından da dikkat çekici. Günümüzde yaygın olarak kullanılan lityum-iyon bataryalar genellikle kilogram başına 1 megajulün (MJ/kg) altında enerji depolayabiliyor. Daha önce MOST alanında öne çıkan norbornadien yaklaşık 0,97 MJ/kg, azaborinin ise 0,65 MJ/kg seviyesinde kalmıştı.
Geliştirilen pirimidon tabanlı sistemi ise 1,65 MJ/kg enerji yoğunluğuna ulaştı. Bu değer, lityum-iyon bataryaların neredeyse iki katı ve şimdiye kadarki MOST malzemelerinden belirgin biçimde daha yüksek.
Çözücü gerektirmeyen sıvı tasarım
Geçmiş MOST sistemlerinin önemli sorunlarından birisi de katı halde olmaları ve çözücü olmadan çalışamamalarıydı. Çözücü kullanımı, enerji yoğunluğunu doğrudan düşürüyordu.
Nguyen’in ekibi bu sorunu, oda sıcaklığında sıvı olan bir molekül tasarlayarak aştı. Böylece sistem çözücüye ihtiyaç duymuyor. Sıvı yakıt, güneş kolektörlerinden geçirilerek şarj edilebiliyor ve bir tankta depolanabiliyor.
Ayrıca sistemin suyla uyumlu olması önemli bir güvenlik avantajı sağlıyor. Organik birçok molekülün aksine su ortamında çalışabilen bu yapı, sızıntı durumunda toksik çözücü riski oluşturmuyor. Araştırmacılar, molekülün suda çalışabildiğini ve açığa çıkan enerjinin suyu kaynatacak kadar güçlü olduğunu deneysel olarak gösterdi.
Önerilen senaryoda yakıt, çatıdaki panellerde güneş ışığını absorbe ettikten sonra bodrumdaki depoya aktarılacak. Isı gerektiğinde sıvı, asit katalizör içeren bir reaksiyon odasına pompalanacak ve burada enerji serbest bırakılacak. Ardından bir ısı eşanjörü aracılığıyla merkezi ısıtma sistemindeki su ısıtılacak.
Potansiyel ne ve her şey mükemmel mi?
Herhangi bir şeyde olduğu gibi bu sistem de elbette mükemmel değil.
İlk sorun, molekülün yalnızca UV-A ve UV-B aralığında, yaklaşık 300-310 nm dalga boylarında ışık absorbe etmesi. Bu aralık, Güneş spektrumunun yalnızca yaklaşık yüzde 5’ine karşılık geliyor. Görünür ışık ve kızılötesi enerji büyük ölçüde kullanılmadan geçiyor.
İkinci problem ise düşük kuantum verimi. Moleküle çarpan her 100 fotondan yalnızca küçük bir kısmı Dewar izomerine dönüşümü tetikliyor. Bu da tam şarj için daha uzun güneş maruziyeti gerektiriyor. Ancak ekip bunlar ve diğer sorunların aşılabileceğini öngörüyor.
Potansiyel tarafında ise rakamlar etkileyici. Kimyasal depolamada en büyük risklerden biri, yakıtın depoda kendiliğinden deşarj olmasıdır. Ancak pirimidon türevlerinin Dewar izomerleri oldukça kararlı görünüyor.
Araştırmacılar bazı türevler için oda sıcaklığında 481 güne kadar yarı ömür hesapladı. Bu da yazın şarj edilen sistemin kışın ısıtma amacıyla kullanılabileceği anlamına geliyor. Ayrıca sistem 20 şarj-deşarj döngüsünde ihmal edilebilir düzeyde bozunma gösterdi. Bu değerler, MOST teknolojileri açısından umut verici kabul ediliyor.
