Человечеству постоянно не хватает энергии и это особенно ощущается сегодня, когда спрос растет гораздо быстрее производства. Многие видят спасением ядерный синтез, который уже около полувека находится на этапе «запустим через 30 лет». Есть даже опасения, что топливо для ядерного синтеза закончится раньше, чем эти реакторы появятся массово. Однако ядерный синтез может и не понадобиться благодаря недавно открытой молекуле азулен, обещающей подключить человечество к действительно неограниченному источнику энергии.
Молекула азулен, согласно исследованию, опубликованному в журнале American Chemical Society, известна тем, что излучает синий свет. Но делает это способом, который, кажется, нарушает фундаментальные правила фотохимии.
Понимание того, как азулен и другие подобные молекулы преобразуют энергию с помощью флуоресценции, позволит человечеству создавать собственные молекулы для более эффективного превращения фотонов от Солнца в пригодную для использования электроэнергию, создавая таким образом чистую энергию.
Молекула азулен, кажется, противоречит фотохимическому правилу, известному как правило Каше. Это правило по существу помогает объяснить, как молекулы излучают свет, находясь в разных состояниях. Однако, в отличие от других молекул, азулен, похоже, не соответствует правилу Каши.
«Это основано на ароматичности и антиароматичности этой молекулы в различных возбужденных состояниях, – поделился ведущий автор исследования Томаш Сланина в заявлении для печати. – Мы можем рассматривать ароматность как своего рода внутреннюю стабилизацию этой молекулы. Когда эта молекула ароматическая, она счастлива, она стабильна. Когда она антиароматическая, она пытается как-то избежать этого состояния».
Для азулена, однако, это правило нарушается: она стабильна в своем основном состоянии, но нестабильна (антиароматическая) в первом возбужденном состоянии. Это интересное открытие, которое может помочь ученым совершить прорыв в поисках безграничной энергии.
Если использовать аналогию восходящей лестницы, то первая ступень, то есть первое возбужденное состояние молекулы, находится высоко, а каждая следующая ступень ниже, а потому ближе к предыдущей. Чем меньше расстояние между ступенями, тем быстрее молекула стремится опуститься с ступени на более низкие уровни. Затем она ждет дольше всего на первом шаге, прежде чем вернуться на базовый уровень, после чего может излучать свет. Но азулен ведет себя иначе.
Чтобы объяснить поведение азулена, исследователи IOCB Prague использовали концепцию (анти) ароматизации. Антиароматическое вещество нестабильно, и молекула пытается как можно быстрее выйти из этого состояния. Он покидает высшее энергетическое состояние и падает вниз.
На первом этапе азулен недоволен, то есть антиароматическим, и поэтому падает вниз в течение порядка пикосекунд, не успевая излучать свет. На втором шаге, однако, он ведет себя как удовлетворенное ароматическое вещество. И это важно! Он может существовать в таком возбужденном состоянии даже целую наносекунду, и этого достаточно, чтобы излучать свет. Поэтому энергия этого возбужденного состояния никуда не теряется и полностью превращается в высокоэнергетический фотон.
Эта идея является частью нормального прогресса, чтобы попытаться сделать солнечные элементы более эффективными. Оглядываясь на историю этих генерирующих электроэнергию элементов, первый солнечный элемент в 1883 году мог превратить менее одного процента фотонов Солнца в пригодную для использования электроэнергию. Однако это был только первый детский шаг к безграничной энергии.
Современные солнечные батареи претерпели некоторые значительные модернизации и изменения. Хотя их эффективность еще очень мала, уже есть солнечные батареи, которые могут превращать около 50 процентов фотонов Солнца в электричество, и также есть солнечные панели, которые генерируют электричество без солнечного света.
Реакции ядерного синтеза в Солнце ежесекундно высвобождают 384,6 септильонов Ватт энергии (3,846х10^26 Вт). Это эквивалентно взрыву 1 820 000 000 «царь-бомб» – мощнейшей термоядерной бомбы в истории.
Практически все 100% высвобожденной Солнцем энергии вылетают в космос. Земля получает только 1/2000000000 долю высвободившейся энергии. И около 30% этого поступления Земля излучает обратно в космос, примерно половину поглощают суша и океан, остальное – атмосфера и облака. Очень небольшая ее часть попадает на сушу, но и этого достаточно, чтобы обеспечить человечество.
Летом в южных широтах квадратный метр поверхности может получать около 1120 Вт энергии. Усредненно за год каждый квадратный метр земной поверхности получает 342 ватта. Это 44 квадриллиона (4,4х1016) Ватт энергии.
Человечество в 2022 году потребило всего 25500 ТВт*ч. Один (1) терават – это 0,0001 квадриллиона Ват.
