Солнечная химия: Проблема в рутении
Существует два основных подхода к получению солнечной энергии: во-первых, это солнечные батареи, которые преобразуют энергию солнечного излучения в электричество; во-вторых — системы, передающие тепловую энергию солнца для нагрева воды, которая может быть либо использована в системах отопления и горячего водоснабжения, либо (при достижении температуры кипения) служить рабочей средой турбины. Но есть и третий подход, потенциал которого был замечен десятилетия назад. Однако из-за отсутствия практичных и экономичных способов реализации этого подхода он долгое время оставался в стороне.
Речь идет о термохимическом способе запасания солнечной энергии, который предполагает использование химических связей как накопителей энергии. И в отличие от систем, использующих нагретый теплоноситель, термохимические «хранилища» энергии не требуют эффективной теплоизоляции и могут запасать энергию на долгие годы.
Ученые занимались изучением термохимических солнечных систем еще в 1970-х годах, но они столкнулись с серьезной проблемой: никому не удавалось найти вещество, способное надежно и обратимо «переключаться» между двумя состояниями. Такое вещество должно поглощать энергию солнца и переходить из состояния №1 в состояние №2, а затем в нужный момент выделять энергию и возвращаться в состояние №1. Одно из таких соединений было обнаружено в 1996 году, но в его состав входит рутений, довольно редкий и дорогой элемент, что делает широкое использование этого вещества непрактичным. Кроме того, никто так и не понял механизм работы данного соединения, что затруднило поиски более дешевых аналогов.
Разгадать эту загадку удалось исследователям из Массачусетского технологического института (MIT). В результате серии экспериментов и теоретических изысканий они смогли выяснить, как именно молекулы (фульвален)тетракарбонилдирутения выполняют функцию поглощения и высвобождения энергии. Это понимание, по словам ученых, открывает дорогу к созданию аналогичных веществ на основе менее редких и дорогих элементов, чем рутений.
Фактически, молекула претерпевает структурные преобразования, поглощая энергию солнечного излучения, и переходит в более высокое энергетическое состояние, в котором может оставаться в течение неопределенного времени. Затем, при воздействии катализатора, молекула возвращается к своей первоначальной форме, выделяя при этом тепло. Но исследователи обнаружили, что на самом деле процесс этот несколько сложнее.
«Оказывается, есть промежуточный этап, который играет важную роль», — говорит Джеффри Гроссман (Jeffrey Grossman), ведущий автор исследования, результаты которого опубликованы в журнале Angewandte Chemie. На полпути между двумя известными ранее состояниями молекулы образуют полустабильные конфигурации. По словам Гроссмана, это было неожиданным открытием. Наличие промежуточной энергетической ступени позволяет объяснить устойчивость конечных состояний молекулы, а также — почему процесс обратим и почему «не работали» соединения с другими элементами вместо рутения.
«Солнечное топливо» на основе (фульвален)тетракарбонилдирутения, говорит Гроссман, может нагреваться до температур около 200 °C, что достаточно для отопления здания или работы генератора электроэнергии. Его можно хранить долгое время без «утечек» энергии, а после использования поместить на солнце для «подзарядки». Проблема высокой стоимости рутения — слабое место в этой замечательной схеме. Но теперь, когда ученые выяснили механизм работы (фульвален)тетракарбонилдирутения, найти ему замену будет гораздо легче, считает Гроссман. «Зная, что заставляет этот материал работать, мы обнаружим и другие», — говорит он. Следующим шагом на пути к дешевому «солнечному топливу» должен стать поиск молекул, имеющих с известным соединением рутения структурное сходство и способных демонстрировать аналогичное поведение.
Химик Роман Булатов (Университет штата Иллинойс) говорит, что «главным достижением этого исследования стало решение значительных проблем квантово-механического моделирования реакции», что позволит синтезировать новые вещества, которые могут накапливать и отдавать энергию. Но остаются и нерешенные вопросы, например — как трудно будет получить такие соединения, и какой катализатор необходим для запуска процесса?
На видео — Джеффри Гроссман объясняет, каким образом «солнечное топливо» может использоваться для хранения энергии. Подобно аккумулятору, (фульвален)тетракарбонилдирутений можно «заряжать» и «разряжать». Для «зарядки» достаточно поместить его на солнце. «Разрядку» (выделение тепла) можно запустить с помощью катализатора. Вычисления показали, что в процессе «разрядки» вещество проходит некое промежуточное энергетическое состояние, отделенное от «верхнего» (заряженного) и «нижнего» (разряженного) двумя энергетическими барьерами.
По сообщению MIT News