Обычные солнечные электростанции зависят от капризов погоды и времени суток: свет то усиливается, то ослабевает, и для достижения стабильной энергоэффективности почти всегда необходимы аккумуляторы и сложная электроника.
В природе все устроено иначе: обычный лист может эффективно использовать даже рассеянный свет в пасмурные дни. Ученые Осакского столичного университета вдохновились природой и разработали систему искусственного фотосинтеза, которая самостоятельно адаптируется к изменениям солнечного освещения и преобразует углекислый газ и воду в муравьиную кислоту.
Созданная японскими специалистами установка относится к солнечно-топливным системам: фотоэлектрические панели вырабатывают электрический ток, а специальный электролизер на его основе преобразует энергию в химическую форму, производя жидкое топливо — в данном случае, раствор муравьиной кислоты. Обычно между панелями и электролизером устанавливают блок максимального извлечения мощности (MPPT), преобразователь и часто аккумулятор. Это позволяет панелям функционировать с максимальной эффективностью при изменяющихся уровнях освещения, но делает систему сложной и дорогостоящей — фактически необходимо создавать «мини-электростанцию» лишь для того, чтобы затем инициировать химическую реакцию.
Специалисты из Осакского университета выбрали иной подход: они встроили функцию самонастройки прямо в электролизер. В его основе находится твердый электролит с особыми свойствами: при повышении температуры его ионное сопротивление снижается, и через него легче проходит электрический ток. Когда солнечный свет становится ярче, панель генерирует больше энергии, электролизер нагревается сильнее, его сопротивление уменьшается — и он способен «принять» больший ток, не отвлекая панель от ее оптимального режима. Когда свет ослабевает, устройство остывает и естественным образом снижает потребление тока. Ученые называют это «химическим MPPT»: функцию согласования берет на себя сама химическая система, а не отдельный блок электроники.
Второй уровень управления связан с потоками жидкости. Небольшие насосы регулируют подачу воды и CO₂ в зависимости от текущей силы тока: чем она выше, тем быстрее проходит реакция и тем сильнее необходимо увеличивать поток, чтобы концентрация муравьиной кислоты оставалась в нужных пределах; при слабом солнечном свете поток уменьшается, чтобы продукт не разбавлялся слишком сильно. Одновременно это же устройство управляет и отводом тепла, что также влияет на температуру и сопротивление электролита.
В полевых испытаниях под естественным солнцем система стабильно производила чистый водный раствор муравьиной кислоты, несмотря на колебания освещенности в течение дня. Авторы подчеркивают, что это пока демонстрация принципа: необходимо проверить долговечность электролизера и функционирование системы при очень слабом и очень интенсивном освещении. Но потенциал разработки уже очевиден: именно такие простые автономные установки могут быть использованы в будущем для улавливания CO₂, производства жидкого топлива и химических веществ в удаленных регионах — без громоздких аккумуляторов и сложной силовой электроники.
Фото: hi-tech.mail.ru