I ricercatori utilizzano il metodo del calcolo quantistico per ottimizzare i fotoswitch molecolari per la raccolta dell’energia solare

I fotointerruttori molecolari in grado di convertire e immagazzinare energia potrebbero essere utilizzati per rendere più efficiente la raccolta dell’energia solare. Un team di ricercatori ha utilizzato un metodo di calcolo quantistico per trovare una struttura molecolare particolarmente efficiente per questo scopo. La procedura si basava su un set di dati di oltre 400.000 molecole, che i ricercatori hanno analizzato per trovare la struttura molecolare ottimale per i materiali di stoccaggio dell’energia solare. Un documento ad accesso libero sullo studio è pubblicato in Angewandte Chemie International Edition.

Attualmente l'energia solare viene utilizzata direttamente per produrre elettricità oppure indirettamente tramite l'energia immagazzinata nei serbatoi di calore. Una terza via potrebbe comportare prima l’immagazzinamento dell’energia solare in materiali sensibili alla luce e poi il suo rilascio secondo necessità.

Il progetto MOST (“Molecular Solar Thermal Energy Storage”), sostenuto dall’UE, sta esplorando molecole come i fotointerruttori in grado di assorbire e immagazzinare l’energia solare a temperatura ambiente per rendere realtà l’utilizzo dell’energia solare completamente privo di emissioni.

Il progetto MOST mira a sviluppare e dimostrare un sistema di stoccaggio dell’energia solare a emissioni zero basato su materiali benigni e completamente rinnovabili. Il sistema MOST si basa su un sistema molecolare in grado di catturare l'energia solare a temperatura ambiente e immagazzinarla per periodi di tempo molto lunghi. Ciò corrisponde a un ciclo chiuso di cattura, stoccaggio e rilascio dell’energia. Il progetto MOST svilupperà i sistemi molecolari nonché i catalizzatori e i dispositivi associati con prestazioni e dimensioni superiori allo stato dell'arte. Nello specifico, saranno progettati e testati collettori solari ibridi che utilizzano fino all’80% dell’energia solare in entrata insieme a dispositivi di rilascio del calore, che combinano MOST con l’accumulo di energia termica (TES) consentendo cicli rapidi di aumento della temperatura che offrono ampi gradienti di temperatura. Illustrazione di Daniel Spacek/Neuron Collective

I gruppi di ricerca composti da Kurt V. Mikkelsen dell'Università di Copenaghen (Danimarca) e Kasper Moth–Poulsen dell'Università Tecnica della Catalogna, Barcellona (Spagna), hanno esaminato più da vicino i fotoswitch più adatti a questo compito.

Hanno studiato molecole note come dieni biciclici, che passano a uno stato ad alta energia quando illuminate. L'esempio più importante di questo sistema dienico biciclico è noto come norbornadiene quadriciclano, ma esiste un vasto numero di candidati simili. Lo spazio chimico è costituito da circa 466.000 dieni biciclici che abbiamo esaminato per la loro potenziale applicabilità nella tecnologia MOST, hanno affermato i ricercatori.

Lo screening di un database di queste dimensioni viene in genere eseguito tramite l’apprendimento automatico, ma ciò richiede grandi quantità di dati di addestramento basati su esperimenti nel mondo reale, di cui il team non disponeva. Utilizzando un algoritmo precedentemente sviluppato e un nuovo punteggio di valutazione, “η” (eta), lo screening e la valutazione delle molecole del database hanno prodotto un risultato chiaro: tutte e sei le molecole con il punteggio più alto differivano dal sistema originale norbornadiene quadriciclano in un punto cruciale la struttura.

I ricercatori hanno concluso che questo cambiamento strutturale, un’espansione del ponte molecolare tra i due anelli di carbonio nella parte biciclica, ha permesso alle nuove molecole di immagazzinare più energia rispetto al norbornadiene originale.

Il lavoro dei ricercatori dimostra il potenziale per ottimizzare le molecole di stoccaggio dell'energia solare. Tuttavia, le nuove molecole devono prima essere sintetizzate e testate in condizioni reali.

Anche se i sistemi possono essere preparati sinteticamente, non vi è alcuna garanzia che siano solubili in solventi rilevanti e che effettivamente fotocommutano con resa elevata o che non subiscano affatto, come abbiamo ipotizzato in η.

Nonostante ciò, il team ha sviluppato un nuovo, ampio set di dati di addestramento per gli algoritmi di apprendimento automatico e ha così abbreviato l’ardua fase di ricerca prima della sintesi per i chimici che affronteranno tali sistemi in futuro. Gli autori immaginano che questo archivio molto più ampio di dieni biciclici venga utilizzato per la ricerca sui fotoswitch per una varietà di applicazioni, rendendo potenzialmente più semplice l'adattamento delle molecole a requisiti specifici.