연구원들은 양자 컴퓨팅 방법을 사용하여 태양 에너지 수확을 위한 분자 광스위치를 최적화합니다.

에너지를 변환하고 저장할 수 있는 분자 광스위치를 사용하면 태양 에너지 수확을 더욱 효율적으로 만들 수 있습니다. 한 연구팀은 이러한 목적을 위해 특히 효율적인 분자 구조를 찾기 위해 양자 컴퓨팅 방법을 사용했습니다. 이 절차는 연구원들이 태양 에너지 저장 재료에 대한 최적의 분자 구조를 찾기 위해 선별한 400,000개 이상의 분자 데이터 세트를 기반으로 했습니다. 해당 연구에 대한 공개 논문은 Angewandte Chemie International Edition에 게재되었습니다.

현재 태양 에너지는 전기를 생산하는 데 직접 사용되거나 열 저장소에 저장된 에너지를 통해 간접적으로 사용됩니다. 세 번째 경로는 먼저 태양 에너지를 감광성 물질에 저장한 다음 필요에 따라 방출하는 것입니다.

EU가 지원하는 프로젝트 MOST("분자 태양열 에너지 저장 장치")는 실온에서 태양 에너지를 흡수하고 저장할 수 있는 포토스위치와 같은 분자를 탐색하여 태양 에너지를 완전히 방출 없이 활용하는 것을 현실로 만들고 있습니다.

MOST 프로젝트는 순하고 재생 가능한 재료를 기반으로 배출이 전혀 없는 태양 에너지 저장 시스템을 개발하고 시연하는 것을 목표로 합니다. MOST 시스템은 실온에서 태양 에너지를 포착하고 매우 오랜 기간 동안 에너지를 저장할 수 있는 분자 시스템을 기반으로 합니다. 이는 에너지 포집, 저장 및 방출의 폐쇄 주기에 해당합니다. MOST 프로젝트는 최첨단 성능과 규모를 넘어서는 분자 시스템과 관련 촉매 및 장치를 개발할 것입니다. 특히 들어오는 태양 에너지의 최대 80%를 활용하는 하이브리드 태양열 집열기는 MOST와 열 에너지 저장(TES)을 결합하여 큰 온도 구배를 제공하는 빠른 온도 상승 주기를 가능하게 하는 열 방출 장치와 함께 설계 및 테스트됩니다. 일러스트: Daniel Spacek/Neuron Collective

코펜하겐 대학교(덴마크)의 Kurt V. Mikkelsen 연구팀과 바르셀로나(스페인) 카탈로니아 기술 대학교의 Kasper Moth–Poulsen 연구팀은 이 작업에 가장 적합한 포토스위치를 면밀히 조사했습니다.

그들은 빛을 받으면 고에너지 상태로 전환되는 이환식 디엔으로 알려진 분자를 연구했습니다. 이 이환식 디엔 시스템의 가장 두드러진 예는 노르보르나디엔 쿼드리사이클란으로 알려져 있지만 유사한 후보가 엄청나게 많이 존재합니다. 화학적 공간은 우리가 MOST 기술에 대한 잠재적인 적용 가능성을 조사한 약 466,000개의 이환식 디엔으로 구성되어 있다고 연구진은 말했습니다.

이 크기의 데이터베이스를 선별하는 것은 일반적으로 기계 학습을 통해 수행되지만 이를 위해서는 팀이 보유하지 않은 실제 실험을 기반으로 한 대량의 교육 데이터가 필요합니다. 이전에 개발된 알고리즘과 새로운 평가 점수 "eta"(eta)를 사용하여 데이터베이스 분자의 스크리닝 및 평가를 통해 명확한 결과를 얻었습니다. 최고 점수를 받은 분자 6개 모두 중요한 지점에서 원래의 노르보르나디엔 쿼드리사이클란 시스템과 달랐습니다. 구조.

연구자들은 이 구조적 변화, 즉 바이사이클 부분의 두 탄소 고리 사이의 분자 가교가 확장되면서 새로운 분자가 원래의 노르보르나디엔보다 더 많은 에너지를 저장할 수 있게 되었다고 결론지었습니다.

연구진의 연구는 태양 에너지 저장 분자를 최적화할 수 있는 잠재력을 보여줍니다. 그러나 새로운 분자는 먼저 실제 조건에서 합성되고 테스트되어야 합니다.

시스템이 합성적으로 준비될 수 있더라도 관련 용매에 용해된다는 보장은 없으며 θ에서 가정한 것처럼 실제로 높은 수율로 또는 전혀 광전환할 것이라는 보장은 없습니다.

그럼에도 불구하고 팀은 기계 학습 알고리즘을 위한 새로운 대규모 교육 데이터 세트를 개발하여 미래에 이러한 시스템을 다루는 화학자들을 위한 합성 이전의 힘든 연구 단계를 단축했습니다. 저자는 다양한 응용 분야의 포토스위치에 대한 연구를 위해 훨씬 더 큰 이환식 디엔 저장소가 자체적으로 생성되어 잠재적으로 분자를 특정 요구 사항에 맞게 쉽게 조정할 수 있을 것으로 예상합니다.