Una nuova molecola organica compatta ha dimostrato di poter immagazzinare stabilmente l'energia solare, rilasciandola sotto forma di calore quando necessario. E la densità energetica raggiunta fa impallidire quella delle batterie al litio.
Che cos’è la tecnologia MOST e come funziona l’accumulo solare molecolare
Riuscire a catturare e conservare l’energia solare in maniera efficiente e compatta è ancora oggi una delle grandi sfide della ricerca energetica sostenibile. È in questo campo che si sono fatti strada negli ultimi anni i MOST, acronimo inglese con cui si indicano i sistemi di accumulo solare termico su base molecolare.
Di cosa si tratta? Di una tecnologia in grado di immagazzinare la radiazione solare sotto forma di energia chimica utilizzando una molecola fotoattiva. Quest’ultima si comporta come una sorta di fotointerruttore: esposta alla luce, si isomerizza in un fotoisomero metastabile ad alta energia. Nel momento del bisogno, grazie a uno stimolo esterno, la molecola può rilasciare energia chimica sotto forma di calore. Quello che si viene a creare, in teoria, è una “batteria termica ricaricabile”, capace di spostare lo sfruttamento dell’energia solare su tempi più lunghi di quelli del fotovoltaico.
La sfida principale in questo campo consiste nel trovare la molecola perfetta. Negli anni sono stati testati diversi candidati MOST alla ricerca di quello che rispondesse meglio ai requisiti di densità energetica, spettro di assorbimento, barriera cinetica, resa quantica e stabilità.
Dal DNA al Pirimidone ingengerizzato
Risultati soddisfacenti nella pratica ancora scarseggiano, ma una nuova ricerca, condotta nei laboratori chimici dell’Università della California, potrebbe aver trovato un nuovo promettente approccio. Qui, infatti, un team di scienziati guidato dalla professoressa Grace Han ha messo a punto un sistema MOST bio-ispirato. Nel dettaglio, il gruppo ha tratto ispirazione dall’architettura del DNA per realizzare un sistema di accumulo solare molecolare a base di pirimidone.
Questo composto organico è un derivato chetonico della pirimidina, molecola che possiede una struttura simile a quella di un componente presente nel DNA e che può subire cambiamenti strutturali reversibili dopo l’esposizione alla luce UV.
Il gruppo ha progettato una versione sintetica di questa struttura, dando vita ad un nuovo fotointerruttore che immagazzina l’energia solare in maniera stabile (anche per anni), per poi rilasciarla in modo reversibile on demand. Per la precisione, il pirimidone immagazzina energia nel fotoisomero metastabile Dewar (deformato tramite eccitazione a 300 nm).
“Abbiamo dato priorità a un design molecolare leggero e compatto”, ha affermato Han Nguyen, autore principale dello studio. “Per questo progetto, abbiamo eliminato tutto ciò che non ci serviva”.
Batteria termica con densità energetica record
Il risultato costituisce una vera promessa per il settore dell’accumulo solare molecolare. Il nuovo MOST vanta una densità energetica di oltre 1,6 MJ/kg, pari a circa il doppio della densità energetica di una batteria agli ioni di litio standard (0,9 MJ/kg). Un valore mai raggiunto nei precedenti esperimenti.
Progettato pensando alla sostenibilità, il sistema funziona senza solventi e rimane compatibile con gli ambienti acquosi, superando al contempo uno dei maggiori ostacoli del settore: l’estrazione e il trasferimento controllati del calore immagazzinato. Quando catalizzato da un acido, l’isomero Dewar rilascia calore sufficiente a far bollire l’acqua.
“Far bollire l’acqua è un processo ad alta intensità energetica”, ha aggiunto Nguyen. “Riuscirci a temperatura ambiente rappresenta quindi una grande conquista”.
Questa capacità apre le porte ad applicazioni pratiche che spaziano dalla fornitura di calore mobile (ad esempio nei campeggi) al riscaldamento dell’acqua domestica. Non solo: dal momento che il composto è solubile in acqua, potrebbe essere usato per dar vita a una nuova generazione di collettori solari termici.
La ricerca “Molecular solar thermal energy storage in Dewar pyrimidone beyond 1.6 MJ/kg” è stata pubblicata su Science.
