Новый материал из дерева хранит солнечное тепло и вырабатывает ток ночью

Исследователи разработали способ преобразования обработанной древесины в систему солнечной энергетики, которая накапливает тепло днем и продолжает вырабатывать электричество ночью. Материал получен путем химической модификации структуры пробкового дерева на наноуровне и может работать независимо от наличия солнечного света.

В основе разработки лежит использование пробкового дерева благодаря его внутренней структуре, состоящей из микротрубочек шириной 20-50 микрометров. Исследователи удалили из древесины лигнин, увеличив ее пористость более чем на 93 процента, и обнажили сеть реактивных поверхностей внутри каналов. Стенки этих каналов покрыли ультратонкими листами черного фосфорина — материала, поглощающего солнечное излучение в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном спектрах и преобразующего его в тепло.

Защитный слой из дубильной кислоты и ионов железа предотвращает разложение фосфорина на воздухе и одновременно улучшает поглощение света. Материал с таким покрытием оставался стабильным даже после 150 дней воздействия солнечных лучей. Наночастицы серебра, добавленные в состав, усиливают поглощение света за счет плазмонного эффекта, а углеводородные цепочки на поверхности придают материалу водоотталкивающие свойства с углом смачивания 153 градуса.

Поры древесины заполнены стеариновой кислотой — веществом, способным к фазовым переходам. При нагревании оно плавится и накапливает энергию, а при охлаждении затвердевает и выделяет тепло. Когда солнечный свет попадает на материал и нагревает его, расплавленная стеариновая кислота сохраняет энергию. После того как свет исчезает, накопленное тепло постепенно высвобождается, поддерживая разницу температур в термоэлектрическом генераторе.

Древесина накапливает около 175 килоджоулей тепла на килограмм и преобразует 91,27 % поступающего солнечного света в полезное тепло. При стандартном освещении система вырабатывает до 0,65 вольта. После 100 циклов нагрева и охлаждения характеристики материала практически не изменились. Материал не воспламеняется и самозатухает в течение двух минут, его антимикробная поверхность препятствует размножению бактерий, которые могут снизить производительность при использовании на открытом воздухе.

Исследователи подчеркивают, что древесина в этой конструкции выполняет не только роль несущего элемента, но и поглощает солнечный свет, накапливает тепло и защищает сама себя. Благодаря отсутствию высокотемпературной карбонизации материал сохранил свойства, необходимые для дальнейшей обработки. На следующем этапе исследователям предстоит подтвердить возможность масштабирования системы в промышленных условиях и обеспечить необходимый уровень выработки энергии.