Global güç tüketiminin yaklaşık yarısı ısınma gereksiniminden kaynaklanıyor ve bunun üçte ikisi hala doğal gaz, petrol ve kömür üzere fosil yakıtların yakılmasıyla karşılanıyor. Elektrik tarafında güneş gücünün depolanması için lityum-iyon bataryalarda değerli ara kat edilmiş olsa da ısıyı uzun periyodik ve verimli biçimde depolamak büyük bir mühendislik sorunu olmaya devam ediyor.

ABD’deki araştırmacılar ise bu sıkıntıya tahlil olabilecek dikkat cazip bir kimyasal sistem geliştirdi. Kaliforniya Üniversitesi Santa Barbara bünyesinde çalışan takım, 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) ismi verilen ve onlarca yıldır teorik olarak umut vadeden bir güç depolama konseptine dayanıyor. Konseptin temel fikri olukça kolay. Güneş ışığı bir molekülün yapısını değiştiriyor, böylelikle güç kimyasal bağlarda hapsediliyor. Daha sonra uygun bir tetikleyiciyle bu molekül eski haline dönerken depolanan güç ısı olarak açığa çıkıyor. Lakin geçmişte geliştirilen MOST sistemleri düşük güç yoğunluğu, süratli bozunma yahut toksik çözücü ihtiyacı üzere meseleler nedeniyle pratik kullanıma ulaşamadı.

Çözüm güneş yanığında bulundu

Araştırma takımına liderlik eden Han P. Nguyen, tahlil için biyolojiden ilham aldı. Güneş yanığının DNA üzerinde oluşturduğu hasar sistemi bu noktada belirleyici oldu.

Ağır ultraviyole (UV) ışınlarına maruz kalındığında DNA’daki timin bazları ortasında “(6-4) lezyon” ismi verilen bir bağ oluşuyor. Daha fazla UV ışığı ise bu yapıyı “Dewar izomeri” olarak bilinen farklı ve daha tansiyonlu bir forma dönüştürüyor. Bu yapı DNA sarmalında bozulmalara yol açabiliyor. Canlılarda bu hasarı onarmak için fotoliyaz isimli bir enzim devreye girerek molekülü tekrar kararlı haline döndürüyor.

Araştırmacılar, Dewar izomerinin aslında bir “moleküler pil” üzere davrandığını fark etti. Zira bu yapı eski haline dönerken kıymetli ölçüde ısı açığa çıkarıyor. Grup, bu geri dönüş sürecini kontrollü ve tekrar edilebilir bir güç depolama sistemine dönüştürmeyi hedefledi.

Araştırmacılar, DNA’daki timine kimyasal olarak benzeyen 2-pirimidon türevi bir molekül sentezledi. Bu molekül güneş ışığına maruz kaldığında sağlam biçimde Dewar izomerine dönüşecek, muhtaçlık anında ise tekrar eski haline geçecek halde tasarlandı.

Ortaya çıkan sistem, güneş ışığı altında “şarj olan”, ısı gerektiğinde gücünü özgür bırakan ve akabinde yine şarj edilebilen bir yakıt fonksiyonu görüyor.

Sistem yalnızca teorik olarak değil, güç yoğunluğu açısından da dikkat alımlı. Günümüzde yaygın olarak kullanılan lityum-iyon bataryalar ekseriyetle kilogram başına 1 megajulün (MJ/kg) altında güç depolayabiliyor. Daha evvel MOST alanında öne çıkan norbornadien yaklaşık 0,97 MJ/kg, azaborinin ise 0,65 MJ/kg düzeyinde kalmıştı.

Geliştirilen pirimidon tabanlı sistemi ise 1,65 MJ/kg güç yoğunluğuna ulaştı. Bu kıymet, lityum-iyon bataryaların neredeyse iki katı ve şimdiye kadarki MOST materyallerinden besbelli biçimde daha yüksek.

Çözücü gerektirmeyen sıvı tasarım

Geçmiş MOST sistemlerinin değerli problemlerinden birisi de katı halde olmaları ve çözücü olmadan çalışamamalarıydı. Çözücü kullanımı, güç yoğunluğunu direkt düşürüyordu.

Nguyen’in grubu bu sorunu, oda sıcaklığında sıvı olan bir molekül tasarlayarak aştı. Böylelikle sistem çözücüye muhtaçlık duymuyor. Sıvı yakıt, güneş kolektörlerinden geçirilerek şarj edilebiliyor ve bir tankta depolanabiliyor.

Ayrıca sistemin suyla uyumlu olması kıymetli bir güvenlik avantajı sağlıyor. Organik birçok molekülün tersine su ortamında çalışabilen bu yapı, sızıntı durumunda toksik çözücü riski oluşturmuyor. Araştırmacılar, molekülün suda çalışabildiğini ve açığa çıkan gücün 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 tepki odasına pompalanacak ve burada güç özgür bırakılacak. Akabinde bir ısı eşanjörü aracılığıyla merkezi ısıtma sistemindeki su ısıtılacak.

Potansiyel ne ve her şey kusursuz mi?

Herhangi bir şeyde olduğu üzere bu sistem de elbette mükemmel değil.

İlk sorun, molekülün sadece UV-A ve UV-B aralığında, yaklaşık 300-310 nm dalga uzunluklarında ışık absorbe etmesi. Bu aralık, Güneş spektrumunun sadece yaklaşık yüzde 5’ine karşılık geliyor. Görünür ışık ve kızılötesi güç büyük ölçüde kullanılmadan geçiyor.

İkinci sorun ise düşük kuantum randımanı. Moleküle çarpan her 100 fotondan sırf küçük bir kısmı Dewar izomerine dönüşümü tetikliyor. Bu da tam şarj için daha uzun güneş maruziyeti gerektiriyor. Lakin takım bunlar ve öbür meselelerin aşılabileceğini öngörüyor.

Potansiyel tarafında ise sayılar etkileyici. Kimyasal depolamada en büyük risklerden biri, yakıtın depoda tabiatıyla deşarj olmasıdır. Lakin pirimidon türevlerinin Dewar izomerleri epeyce kararlı görünüyor.

Araştırmacılar kimi türevler için oda sıcaklığında 481 güne kadar yarı ömür hesapladı. Bu da yazın şarj edilen sistemin kışın ısıtma gayesiyle kullanılabileceği manasına geliyor. Ayrıyeten sistem 20 şarj-deşarj döngüsünde ihmal edilebilir seviyede bozunma gösterdi. Bu kıymetler, MOST teknolojileri açısından umut verici kabul ediliyor.