Poiché i pannelli solari perdono la capacità di generare elettricità dopo il tramonto, una delle principali sfide per le energie rinnovabili rimane: come immagazzinare l’energia solare per utilizzarla in seguito, sia durante le giornate nuvolose che di notte.
I ricercatori dell’UC Santa Barbara ritengono di aver trovato una soluzione che evita la necessità di enormi sistemi di batterie o la dipendenza dalla rete elettrica. In un articolo pubblicato sulla rivista Science, la professoressa associata Grace Han e il suo team di ricerca descrivono un nuovo materiale in grado di assorbire la luce solare, immagazzinare quell’energia in legami chimici e rilasciarla successivamente sotto forma di calore quando necessario. Il materiale si basa su una molecola organica modificata chiamata pirimidone e rappresenta un nuovo passo avanti nella tecnologia di accumulo di energia solare termica molecolare (MOST).
“Il concetto alla base è la riutilizzabilità e il riciclo”, ha affermato Han Nguyen, dottorando presso il Gruppo Han e autore principale dello studio.
“Pensate agli occhiali da sole fotocromatici. Quando siete al chiuso, le lenti sono trasparenti. Uscite al sole e si scuriscono da sole. Tornate dentro e le lenti tornano trasparenti”, ha continuato Nguyen. “Questo tipo di cambiamento reversibile è ciò che ci interessa. Solo che invece di cambiare colore, vogliamo usare la stessa idea per immagazzinare energia, rilasciarla quando ne abbiamo bisogno e poi riutilizzare il materiale più e più volte.”
Accumulo di energia solare ispirato al DNA
Gli scienziati si sono ispirati a una fonte inaspettata durante la progettazione della molecola: il DNA. La struttura della pirimidone assomiglia a un componente presente naturalmente nel DNA, in grado di cambiare forma in modo reversibile se esposto alla luce ultravioletta.
Utilizzando una versione sintetica di quella struttura, il team ha progettato una molecola in grado di immagazzinare e rilasciare energia ripetutamente. Per comprendere meglio perché la molecola rimanesse stabile pur trattenendo energia per lunghi periodi, i ricercatori hanno collaborato con Ken Houk, illustre professore di ricerca presso l’UCLA. La modellazione computazionale ha contribuito a spiegare come il materiale potesse conservare l’energia immagazzinata per anni senza perdite significative.
“Abbiamo dato priorità alla progettazione di una molecola leggera e compatta”, ha affermato Nguyen. “Per questo progetto, abbiamo eliminato tutto ciò che non era necessario. Abbiamo rimosso tutto il superfluo per rendere la molecola il più compatta possibile.”
Una “batteria solare” riutilizzabile
A differenza dei pannelli solari standard che convertono direttamente la luce solare in elettricità, questo sistema immagazzina l’energia chimicamente. La molecola si comporta in modo simile a una molla compressa. Dopo aver assorbito la luce solare, si trasforma in una forma tesa ad alta energia e rimane in quello stato fino all’attivazione.
Quando esposta a uno stimolo, come una piccola quantità di calore o un catalizzatore, la molecola ritorna alla sua forma originale, rilasciando l’energia immagazzinata sotto forma di calore.
“In genere lo descriviamo come una batteria solare ricaricabile”, ha detto Nguyen. “Immagazzina la luce solare e può essere ricaricato.”
La molecola offre anche un’impressionante densità energetica. Secondo i ricercatori, immagazzina più di 1,6 megajoule di energia per chilogrammo. Per confronto, una batteria agli ioni di litio convenzionale immagazzina circa 0,9 MJ/kg. Il nuovo materiale ha inoltre superato le prestazioni delle precedenti generazioni di interruttori ottici per l’accumulo di energia.
Un nuovo materiale è in grado di far bollire l’acqua utilizzando la luce solare immagazzinata.
Un traguardo fondamentale per il team è stato quello di trasformare l’elevata capacità di accumulo di energia della molecola in una dimostrazione pratica. Negli esperimenti, i ricercatori hanno dimostrato che il materiale può rilasciare calore sufficiente a far bollire l’acqua in condizioni ambientali, un risultato finora difficile da ottenere in questo campo di ricerca.
“Far bollire l’acqua è un processo che richiede molta energia”, ha affermato Nguyen. “Il fatto che riusciamo a far bollire l’acqua a temperatura ambiente è un grande risultato.”
Questa tecnologia potrebbe in futuro trovare applicazione in diversi ambiti, tra cui sistemi di riscaldamento autonomi per il campeggio o per il riscaldamento dell’acqua domestica. Poiché il materiale si dissolve in acqua, i ricercatori ipotizzano che un giorno potrebbe circolare attraverso collettori solari sui tetti durante il giorno, per poi essere immagazzinato in serbatoi che rilasciano calore durante la notte.
“Con i pannelli solari, è necessario un sistema di batterie aggiuntivo per immagazzinare l’energia”, ha affermato il coautore Benjamin Baker, dottorando presso il laboratorio Han. “Con l’accumulo di energia solare termica molecolare, il materiale stesso è in grado di immagazzinare l’energia della luce solare.”
Il progetto ha ricevuto il sostegno della Moore Inventor Fellowship, assegnata a Han nel 2025 per promuovere lo sviluppo di queste “batterie solari ricaricabili”.
Abstract
INTRODUZIONE
Il riscaldamento rappresenta quasi la metà del consumo energetico globale. Tuttavia, quasi due terzi del riscaldamento si basano ancora su combustibili fossili, come gas naturale, petrolio e carbone. Di conseguenza, il riscaldamento è una delle principali fonti dirette di emissioni di carbonio. Pertanto, per raggiungere un futuro energetico sostenibile, non basta la produzione di elettricità a zero emissioni di carbonio, ma sono necessarie anche strategie efficaci per lo stoccaggio e la distribuzione di calore pulito.I fotoswitch molecolari sono recentemente emersi come mezzi per l’immagazzinamento e il rilascio di energia solare rinnovabile. Questo concetto è noto come accumulo di energia solare termica molecolare (MOST). Nei sistemi MOST, l’energia dei fotoni viene immagazzinata nei legami chimici tesi di un fotoisomero metastabile. In seguito all’attivazione da parte di uno stimolo esterno, il fotoisomero metastabile ritorna alla sua forma termodinamicamente stabile, rilasciando l’energia immagazzinata sotto forma di calore (ΔH immagazzinato ) .In questo lavoro, presentiamo un sistema MOST basato su 2-pirimidone e sul suo isomero di Dewar, progettato per funzionare senza solventi e compatibile con l’acqua. Il sistema fornisce una densità di energia gravimetrica record sia in condizioni pure che in soluzioni acquose diluite, consentendo il rilascio e il trasferimento di calore sufficienti a portare l’acqua al suo punto di ebollizione in condizioni ambientali.
Materials provided by University of California – Santa Barbara. Original written by Seren Snow. Note: Content may be edited for style and length.
- Han P. Q. Nguyen, Alexander J. Maertens, Benjamin A. Baker, Nathan M.-W. Wu, Zihao Ye, Qingyang Zhou, Qianfeng Qiu, Navneet Kaur, David B. Berkinsky, Katherine E. Shulenberger, K. N. Houk, Grace G. D. Han. Molecular solar thermal energy storage in Dewar pyrimidone beyond 1.6 megajoules per kilogram. Science, 2026; 392 (6796) DOI: 10.1126/science.aec6413
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