Νέο υλικό αποθηκεύει ενέργεια και αλλάζει χρώμα για να ψύχει τα κτίρια

Σύνοψη

• Ερευνητής του Πανεπιστημίου του Turku ανέπτυξε ένα νέο, πολυλειτουργικό έξυπνο υλικό που μιμείται την ικανότητα των φυτών να αποθηκεύουν ενέργεια.
• Το υλικό βασίζεται σε πολυμερή φιλμ πορφυρίνης, παρόμοια με τη χλωροφύλλη, τα οποία λειτουργούν ως ηλεκτροχρωμικοί υπερπυκνωτές.
• Μπορεί να αλλάζει χρώμα σε λιγότερο από δύο δευτερόλεπτα και να διατηρεί την απόχρωση του ακόμη και χωρίς παροχή ρεύματος.
• Χρησιμοποιεί υδατικό ηλεκτρολύτη, γεγονός που το καθιστά ασφαλέστερο και πιο φιλικό προς το περιβάλλον σε σχέση με τις υπάρχουσες λύσεις.
• Προορίζεται για χρήση σε έξυπνα παράθυρα που θα σκουραίνουν αυτόματα για να δροσίζουν τον χώρο, αποθηκεύοντας παράλληλα την ηλιακή ενέργεια, κάτι ιδανικό για τις κλιματολογικές συνθήκες της Ελλάδας.

Η διαρκώς αυξανόμενη ζήτηση για βιώσιμες και ενεργειακά αποδοτικές τεχνολογίες οδηγεί την επιστημονική κοινότητα στην ανάπτυξη έξυπνων υλικών με πολλαπλές λειτουργίες. 

Σε αυτό το πλαίσιο, μια νέα έρευνα από το Πανεπιστήμιο του Turku στη Φινλανδία έρχεται να δώσει λύση σε δύο βασικά προβλήματα της σύγχρονης αρχιτεκτονικής: την ανάγκη για αποτελεσματική σκίαση και την ταυτόχρονη αποθήκευση καθαρής ενέργειας. Το κλειδί για αυτή την καινοτομία κρύβεται στον ίδιο τον τρόπο με τον οποίο η φύση διαχειρίζεται το φως του ήλιου, και πιο συγκεκριμένα, στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης.

Το νέο έξυπνο υλικό βασίζεται σε πολυμερή φιλμ πορφυρίνης —του μορίου που εντοπίζεται στη χλωροφύλλη των φυτών. Μέσω της εφαρμογής χαμηλής ηλεκτρικής τάσης σε έναν ασφαλή υδατικό ηλεκτρολύτη, το φιλμ αλλάζει χρώμα σε λιγότερο από δύο δευτερόλεπτα, λειτουργώντας ταυτόχρονα ως ηλεκτροχρωμικός υπερπυκνωτής που αποθηκεύει άμεσα την ηλιακή ενέργεια.

Από τη χλωροφύλλη στην επιστήμη υλικών

Ο ερευνητής Sachin Kochrekar αξιοποίησε τις ιδιότητες των πορφυρινών, μόρια που απαντώνται ευρέως στη φύση, συμμετέχοντας ενεργά σε διαδικασίες μεταφοράς ηλεκτρονίων, όπως συμβαίνει με τη χλωροφύλλη στα φυτά και την αιμοσφαιρίνη στο αίμα. Η ικανότητα αυτών των μορίων να μεταβάλλουν την κατάστασή τους με απόλυτα ελεγχόμενο τρόπο, αποτέλεσε το θεμέλιο της νέας τεχνολογίας.

Στο πλαίσιο της έρευνας, τα φιλμ κατασκευάστηκαν είτε ως υβριδικές δομές σε συνδυασμό με αγώγιμα υλικά, είτε συνδέοντας τις πορφυρίνες μέσω μορίων-γεφυρών. Η προσθήκη μετάλλων, όπως το νικέλιο ή ο ψευδάργυρος, στο κέντρο της δομής της πορφυρίνης έδειξε να επηρεάζει δραστικά τις οπτικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, το φιλμ με βάση το νικέλιο μπορεί να μεταβεί μεταξύ τριών χρωμάτων (μαύρο, πορτοκαλί, πράσινο), ενώ οι εκδόσεις με ψευδάργυρο ή χωρίς καθόλου μέταλλο περιορίζονται σε δύο καταστάσεις. Ο έντονος οπτικός διαχωρισμός και η ταχύτητα μετάβασης καθιστούν το υλικό ιδανικό για εφαρμογές σκίασης.

Ασφάλεια και ενεργειακή αποδοτικότητα: Η υπεροχή του υδατικού ηλεκτρολύτη

Ένα από τα σημαντικότερα επιτεύγματα της συγκεκριμένης διατριβής είναι η επιτυχής δοκιμή της ενεργειακής αποθήκευσης σε υδατικό ηλεκτρολύτη. Αντίθετα με τους παραδοσιακούς οργανικούς διαλύτες που χρησιμοποιούνται ευρέως σε συστήματα μπαταριών και υπερπυκνωτών (οι οποίοι ενέχουν κινδύνους αναφλεξιμότητας και τοξικότητας), ο υδατικός ηλεκτρολύτης προσφέρει μέγιστη ασφάλεια.

Η συγκεκριμένη προσέγγιση είναι η πρώτη καταγεγραμμένη μελέτη όπου πολυμερείς μεμβράνες με βάση την πορφυρίνη λειτουργούν επιτυχώς ως ηλεκτροχρωμικοί υπερπυκνωτές μέσα σε νερό. Και τα τρία υλικά που δοκιμάστηκαν επέδειξαν εξαιρετικές ιδιότητες αποθήκευσης ρεύματος. Καθώς το υλικό αλλάζει χρώμα, παρέχει ταυτόχρονα και μια οπτική ένδειξη για το επίπεδο φόρτισης της συσκευής, λειτουργώντας έτσι ως ένας άμεσος, οπτικός μετρητής μπαταρίας.

Πρακτικές εφαρμογές και ο αντίκτυπος στο οικιακό περιβάλλον

Το χαμηλό κόστος παραγωγής και η υψηλή προσαρμοστικότητα των συγκεκριμένων υλικών ανοίγουν τον δρόμο για ενσωμάτωση σε μια ευρεία γκάμα προϊόντων, συμπεριλαμβανομένων εύκαμπτων υποστρωμάτων.

Η πιο άμεση και κερδοφόρα εφαρμογή αφορά τα “έξυπνα παράθυρα” σε κτίρια. Τις ημέρες με έντονη ηλιοφάνεια, τα τζάμια θα μπορούν να σκουραίνουν αυτόματα για να αποτρέψουν την υπερθέρμανση των εσωτερικών χώρων, μειώνοντας δραστικά τις απαιτήσεις ενέργειας για κλιματισμό. Ταυτόχρονα, η ενέργεια από την ηλιακή ακτινοβολία δεν θα χάνεται, αλλά θα αποθηκεύεται στον υπερπυκνωτή του παραθύρου για να χρησιμοποιηθεί αργότερα (π.χ. για τον φωτισμό του δωματίου το βράδυ).

Πέρα από τις κατασκευές κτιρίων, το υλικό έχει εφαρμογές στην αεροδιαστημική βιομηχανία, στους αντιθαμβωτικούς καθρέπτες και στις ηλιοροφές των αυτοκινήτων, στην τεχνολογία οθονών, σε «έξυπνα» ρούχα, καθώς και ως οπτικός δείκτης σε χημικούς αισθητήρες, αντιδρώντας οπτικά σε συγκεκριμένα αέρια ή βιολογικούς δείκτες.