MIT-forskare har visat ett nytt sätt att lagra oanvänd värme från bilmotorer, industriellt maskineri, och även solsken tills det behövs. Centralt i deras system är vad forskarna refererar till som ett "fasförändringsmaterial" som absorberar en stor mängd värme när det smälter och släpper ut det när det stelnar igen.

När den väl har smält och aktiverats av ultraviolett ljus, materialet lagrar den absorberade värmen tills en stråle av synligt ljus utlöser stelning och värmeavgivning. Nyckeln till den kontrollen är tillsatta molekyler som svarar på ljus genom att ändra form från en som hindrar stelning till en som tillåter det. I ett proof-of-concept-experiment, forskarna höll en provblandning i flytande form ner till rumstemperatur – helt 10 grader Celsius under där den borde ha stelnat – och sedan, efter 10 timmar, använde en ljusstråle för att utlösa stelning och frigöra den lagrade värmeenergin.

Mer än hälften av all energi som används för att driva mekaniska, kemisk, och andra processer drivs ut i miljön som värme. Kraftverk, bilmotorer, och industriella processer, till exempel, producera stora mängder värme men använder en relativt liten del av den för att faktiskt utföra arbete. Och medan solljus levererar rikligt med strålande energi, dagens solcellsapparater omvandlar bara en bråkdel av den till elektricitet. Resten antingen reflekteras eller absorberas och omvandlas till värme som går oanvänd.

Utmaningen är att hitta ett sätt att lagra all den termiska energin tills vi vill använda den. Jeffrey Grossman, Morton och Claire Goulder och familjeprofessor i miljösystem och professor i materialvetenskap och teknik, har arbetat med det problemet i mer än ett decennium.

Ett bra sätt att lagra värmeenergi är att använda ett fasförändringsmaterial (PCM) som vax. Värm upp en fast bit vax, och det kommer gradvis att bli varmare - tills det börjar smälta. När den övergår från den fasta till den flytande fasen, det kommer att fortsätta att absorbera värme, men dess temperatur kommer att förbli väsentligen konstant. När det väl är helt smält, dess temperatur kommer igen att börja stiga när mer värme tillförs. Sedan kommer nyttan. När det flytande vaxet svalnar, det kommer att stelna, och som det gör, det kommer att frigöra all den lagrade fasförändringsvärmen – även kallad latent värme.

PCM används nu i applikationer som solenergikoncentratorer, byggnadsvärmesystem, och solkokare för avlägsna regioner. Men medan PCM kan avge riklig värme, det finns inget sätt att kontrollera exakt när de gör det. Tidpunkten beror på temperaturen på luften runt dem.

"Du kan ladda ett batteri, och den lagrar elen tills du vill använda den, säga, i din mobiltelefon eller elbil, " säger Grossman. "Men folk måste värma upp sin solfångare när solen skiner, och när de vill laga middag, den kan mycket väl ha avgett all sin lagrade värme till den svala kvällsluften."

PCM har således visat sig vara ett mycket framgångsrikt sätt att lagra termisk energi, men att få ut det igen på ett användbart sätt har varit en utmaning. "Vad vi behövde var en trigger som skulle ge oss kontroll över tidpunkten för värmeutsläppet, säger Grossman.

Molekyler som kan trigga

Några år sedan, Grossman började undra om han kanske redan hade den avtryckare han behövde. I relaterat arbete, hans grupp hade studerat lagringen av energi i speciella molekyler som kallas fotoswitchar.

Lysa en viss våglängd av ljus på en fotoswitch, och dess form kommer att förändras. Samma atomer finns, men deras orientering relativt varandra skiftar. Dessutom, de kommer att stanna i den förskjutna konfigurationen tills de utsätts för en annan våglängd av ljus. Sedan kommer de tillbaka till sin ursprungliga form, frigör termisk energi i processen.

Grossmans grupp har gjort goda framsteg när det gäller att designa fotoswitchar för att lagra energi, men molekylerna har en viktig begränsning:De kan bara kopplas om till sin energilagrande konfiguration av ljus. Som ett resultat, de kan inte laddas med spillvärme från bilar eller andra maskiner eller solsken.

Så Grossman och tidigare postdoktorer Grace Han och Huashan Li vid Institutionen för materialvetenskap och teknik började undersöka möjligheten att använda en fotoswitch på ett nytt sätt - som en utlösare för att kontrollera frigörandet av energi från ett fasförändringsmaterial.

"Vi skulle kunna skräddarsy dess kemi så att den matchar fasförändringsmaterialet riktigt bra när det är i en form, men när vi byter den, det stämmer inte längre, " förklarar Grossman.

Om det blandas med en smält PCM i den felaktiga formen, fotoomkopplaren skulle hindra den från att bli fast – även under dess normala stelningstemperatur. Att lysa med en annan våglängd av ljus kan ändra fotoomkopplaren tillbaka till dess matchande struktur. PCM skulle sedan stelna, släpper ut sin lagrade latenta värme.

Proof-of-concept tester

För att utforska genomförbarheten av det tillvägagångssättet, forskarna använde en konventionell PCM som heter tridekansyra och förberedde en speciell variant av fotoväxlingsmolekylen azobensen, som består av två sammanlänkade ringar av atomer som kan vara i olika positioner i förhållande till varandra.

I "trans"-formen av molekylen, ringarna är platta – dess naturligt förekommande marktillstånd. I sin "cis" form, en av bensenringarna lutar 56 grader i förhållande till den andra, säger forskarna. Den växlar från en form till en annan som svar på ljus. Lyser ultraviolett (UV) ljus på den platta versionen, och det kommer att vrida sig. Lyser synligt ljus på den vridna versionen, och det kommer att plana ut.

Figur 1 i bildspelet ovan visar vad Grossman kallar den termiska energilagrings- och frigöringscykeln och illustrerar rollen som azobensen-fotoväxeln spelar som ett lågkoncentrations "dopant" (ett material som tillsätts för att ändra egenskaperna hos ett ämne). När PCM-azobensenblandningen, eller komposit, är fast med azobensen i sin transform, de två beståndsdelarna packas tätt ihop. Vid uppvärmning, kompositen absorberar värmeenergi, och PCM smälter. Att zappa det med UV-ljus ändrar azobensendopmedlet från trans till cis. När den blandningen svalnar, cis-azobensen förhindrar stelning av PCM, så den latenta värmen förblir lagrad. Belysning med synligt ljus växlar azobensen tillbaka till sin transform. Blandningen kan nu stelna, frigör sin lagrade latenta värme i processen.

En serie tester visade att deras system fungerade bra. Att lysa en ultraviolett lampa (vid en våglängd av 365 nanonometer) på vätskeblandningen ändrade de flesta av starttrans-azobensenmolekylerna till deras cis-form. När den väl laddades, blandningen stelnade inte ens vid rumstemperatur – helt 10 Celsius under vad den skulle ha utan de laddade fotoswitcharna i blandningen.

Att belysa vätskan med synligt ljus (450 nm) i 30 sekunder aktiverade stelning och frigöring av den lagrade latenta värmen. Dessutom, i princip all latent värme kom ut - lite eller inget av det hade gått förlorat på grund av läckage. "Med de extra omkopplarna, den termiska energin är låst, " säger Grossman. "Som ett resultat, det kan finnas mindre behov av den tunga isoleringen som används för att förhindra att värme läcker ut från konventionella PCM."

När forskarna inte lyste det synliga ljuset på sin blandning, de fann att det förblev en vätska vid temperaturer under dess ursprungliga stelningspunkt i 10 timmar. Blandningen började sedan gradvis stelna, avger sin lagrade värme.

För att visa systemets hållbarhet och repeterbarhet, forskarna växlade fram och tillbaka – mellan laddning och urladdning – 100 gånger under mer än 50 timmar. Under det första urladdningssteget, kristalliniteten hos PCM ändrades något från utgångsmaterialet, men efter det, dess struktur förblev oförändrad.

Andra tester bekräftade vikten av att noggrant välja eller designa en fotoswitch som interagerar effektivt med en specifik PCM. På nytt, fotoswitchen måste blandas väl med den flytande PCM för att bilda kompositen och måste ändras, när den aktiveras av ljus, mellan två distinkta strukturer som blandas med eller stör packningen av den valda PCM:n. Forskarna fann också att det är avgörande att optimera koncentrationen av fotoswitchen i PCM. När det är för lågt, det kommer inte att störa stelningen. När den är för hög, det ultravioletta ljuset kanske inte penetrerar blandningen helt, och dopningsmolekylerna kan reagera med varandra, klumpar ihop sig istället för att fördela väl och förhindrar PCM-packning.

Grunderna för en praktisk enhet

Grossman betonar att arbetet hittills är ett principbevis. "Det finns mycket arbete att göra för att göra applikationer baserade på detta koncept, " han säger.

Men forskarna föreställer sig följande typ av anordning:Blandningen skulle hållas i en behållare med fönster som kunde täckas för att kontrollera ljusintaget. En värmeväxlare skulle leverera värmeenergi från solen eller en annan källa till PCM-kompositen, och en separat LED- eller gasurladdningslampa skulle samtidigt skicka UV-ljus in genom de avtäckta fönstren för att ladda azobensen-dopmedlet. Fönstren skulle sedan täckas för att möjliggöra termisk lagring, även när blandningen sjönk till rumstemperatur.

När värmeavgivning önskas, fönstren skulle avslöjas, och den flytande kompositen skulle exponeras för omgivande ljus eller för blått LED-ljus för en snabbare respons. Fönstren skulle vara gjorda av vanligt borosilikatglas, som skulle sända över 90 procent av relevant UV och synligt ljus, och en omrörare inuti behållaren skulle hjälpa till att hålla azobensenmolekylerna från att klibba ihop.

filmer, pärlor, och olika material

Grossmans grupp fortsätter arbetet med att tillämpa och förbättra konceptet för termisk lagring. Till exempel, de undersöker dess möjliga användning som ett nytt system för avisning – ett ämne av ständigt intresse för Grossman, som konstaterar att dagens elbilar förbrukar så mycket batterikraft för avisning och uppvärmning att deras räckvidd kan sjunka med 30 procent vid kallt väder. Ett mycket bättre tillvägagångssätt skulle vara att lagra termisk energi i en tunn, genomskinlig film och utlösa en explosion av värme när det behövs för att smälta det besvärliga lagret av is.

"Med det i åtanke, vi ville se om vi kunde göra tunna filmer av vårt material över större ytor och få det att uppvisa samma beteenden som vi såg i våra labbprover, " säger Grossman. De satte sin flytande PCM-komposit på en glasskiva, lägg ett annat ark ovanpå, och förseglade den. De fann att de kunde ladda upp blandningen med UV-ljus och sedan ladda ur den senare med synligt ljus, få tillbaka den lagrade fasförändringsenergin som värme. Dessutom, de kunde göra det selektivt så att en del av filmen stelnade och resten förblev flytande.

Annat arbete fokuserar på att designa en solspis som kan lagra värme efter att solen gått ner längre än de 10 minuter som är typiska för dagens bästa modeller, som fortfarande förlitar sig på konventionella PCM:er för lagring. En PCM-komposit skulle kunna göra bättre, förutom en nackdel:När det går från fast till flytande, den ändras också i volym – potentiellt tillräckligt för att skada behållaren.

För att förhindra det beteendet, Cédric Viry, en doktorand i materialvetenskap och teknik och en stipendiat vid Tata Center for Technology and Design, arbetar med att kapsla in kompositen inuti små pärlor med skal gjorda av kiseldioxid eller kalciumkarbonat. Den instängda kompositen kommer att gå igenom de nödvändiga fasförändringarna, men det starka skalet kommer att begränsa den massiva volymförändringen som sker i en obegränsad blandning. De inkapslade pärlorna kan suspenderas i andra vätskor, och bättre metoder för att leverera ljus i materialen kan vara möjliga. "När vi får mikroinkapslingen att fungera, det kommer att finnas många fler ansökningar, säger Grossman.

Till sist, forskarna utökar sitt koncept till olika material och temperaturområden. "Vi har tagit reda på några intressanta och viktiga tekniska aspekter av hur systemet fungerar, " säger Grossman. "I synnerhet, hur PCM och fotoswitch interagerar på molekylär nivå."

Den grundläggande förståelsen har redan gjort det möjligt för dem att utveckla system som använder PCM:er med olika molekylära strukturer - särskilt, med kedjor snarare än ringar av atomer – tillsammans med fotoswitchar optimerade för var och en. I framtiden, Grossman anser att de borde kunna utveckla system som kan lagra mer termisk energi och kan arbeta vid en mängd olika temperaturområden, inklusive låga temperaturer av intresse för biomedicinska och elektroniska tillämpningar.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.