Il futuro dell’energia solare risiede in materiali abbondanti e scalabili progettati per imitare e migliorare i sistemi di conversione dell’energia presenti in natura.
Mentre i politici si rivolgono sempre più alla scienza per affrontare il cambiamento climatico globale, uno scienziato della Michigan State University sta guardando alla natura per sviluppare la prossima generazione di tecnologia a energia solare.
Il professor James McCusker della MSU Foundation, Dipartimento di Chimica, ritiene che il futuro dell’energia solare risieda in materiali abbondanti e scalabili progettati per imitare e migliorare i sistemi di conversione dell’energia presenti in natura.
In un nuovo studio innovativo rivela un nuovo processo che consente alle molecole di dire agli scienziati come dovrebbero essere modificate per assorbire e convertire meglio l’energia solare. Il metodo utilizza una proprietà molecolare nota come coerenza quantistica in cui i diversi aspetti di una molecola sono sincroni, come quando l’indicatore di direzione della tua auto lampeggia all’unisono con quello dell’auto di fronte a te.
Gli scienziati ritengono che la coerenza quantistica possa svolgere un ruolo nella fotosintesi naturale.
È la prima volta che qualcuno ha cercato di utilizzare attivamente le informazioni raccolte dalla coerenza quantistica come guida per suggerire quali siano gli aspetti più importanti della struttura di una molecola che contribuiscono a una determinata proprietà
ha affermato McCusker che continua
Stiamo usando tutte le risorse di una scienza sofisticata che raccoglie dalla natura i mezzi e gli indizi che ci diranno su cosa dobbiamo concentrarci in laboratorio.
La luce solare, sebbene abbondante, è una fonte di energia a bassa densità. Per raccogliere quantità significative di energia occorre moltissimo spazio.
Tuttavia, i materiali più efficaci oggi in uso per la conversione dell’energia solare, come il rutenio, sono alcuni dei metalli più rari sulla Terra. Le future tecnologie solari devono essere in grado di espandersi con metodi di conversione dell’energia più efficienti ed economici.
Bisogna trovare materiali più comuni con cui ottenere gli stessi risultati.
I composti che assorbono la luce nei comuni metodi sintetici per la fotosintesi artificiale fanno uso di stati molecolari eccitati prodotti dopo che una molecola assorbe energia dalla luce solare.
Il problema di passare da materiali rari a quelli abbondanti sulla terra è che i processi che ti consentono di convertire la luce solare assorbita in energia chimica sono fondamentalmente diversi in questi materiali più comuni
ha detto McCusker.
Lo stato eccitato prodotto dall’assorbimento di energia luminosa in un composto a base di ferro, ad esempio, decade troppo rapidamente per consentirne l’uso in modo simile.
Ma se nel processo si tiene conto della coerenza quantistica le cose cambiano. Colpendo una molecola con un raggio di luce della durata di meno di un decimo di un trilionesimo di secondo, McCusker e i suoi studenti hanno osservato l’interconnessione tra lo stato eccitato della molecola e la sua struttura, consentendo loro di visualizzare come si muovevano gli atomi della molecola durante la conversione dell’energia solare in energia chimica.
Una volta che abbiamo avuto un quadro di come si è verificato questo processo, il team ha utilizzato tali informazioni per modificare sinteticamente la molecola in modo tale da rallentare la velocità del processo
ha affermato McCusker.
Questo è un obiettivo importante che deve essere raggiunto se questi tipi di cromofori, ossia le molecole che assorbono particolari lunghezze d’onda della luce visibile e sono responsabili del colore di un materiale, devono farsi strada nelle tecnologie dell’energia solare
La ricerca dimostra che possiamo usare il fenomeno di coerenza per capire quali cose potremmo aver bisogno di incorporare nella struttura molecolare di un cromoforo che utilizza materiali più abbondanti della terra per permetterci di usare l’energia immagazzinata nella molecola dopo l’assorbimento di luce per una vasta gamma di applicazioni di conversione dell’energia.
E quindi quali materiali potremmo usare? McCusker risponde
Che ne dici di una cella solare basata su trucioli di vernice e ruggine?
Non ci siamo ancora arrivati, ma l’idea alla base di questa ricerca è quella di utilizzare la coerenza quantistica per attingere alle informazioni che la molecola già possiede e quindi utilizzare tali informazioni per cambiare le regole del gioco.
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