Искусственная древесина аккумулирует и отдаёт солнечную энергию
13.04.2026
Солнечная энергетика сталкивается с одной очевидной проблемой: когда солнце скрывается за горизонтом, выработка энергии прекращается. Даже самые совершенные системы бессильны перед этим естественным ограничением. Долгое время исследователи искали способы запасать солнечную энергию в виде тепла — но добиться высокой эффективности не удавалось.
Традиционные конструкции обычно состоят из нескольких слоёв: один элемент поглощает солнечный свет, другой накапливает тепло, третий выполняет защитную функцию. Однако эти компоненты действуют изолированно: на границах между слоями неизбежно происходят потери энергии, что снижает общую эффективность системы.
Учёные предложили принципиально иную концепцию — превратить дерево в самодостаточную систему для сбора и хранения солнечной энергии. Изменив структуру материала на наноуровне, они получили образец, способный:
В качестве исходного материала выбрали пробковое дерево — не из‑за его прочности, а благодаря уникальной внутренней структуре. Под микроскопом оно напоминает пучок выровненных микротрубочек диаметром 20–50 микрометров. Эти каналы способны проводить тепло и удерживать функциональные компоненты, выступая естественным каркасом для будущей системы.
Однако необработанная древесина имеет два существенных недостатка: она отражает солнечный свет и впитывает влагу. Чтобы устранить эти ограничения, учёные провели ряд преобразований:
Удаление лигнина. Этот компонент придаёт древесине цвет и жёсткость. После его извлечения пористость материала превысила 93 %, обнажив сеть реакционноспособных поверхностей внутри каналов.
Нанесение чёрного фосфорина. Стенки микротрубочек покрыли ультратонкими листами этого вещества. Фосфорин эффективно поглощает свет во всём спектре — от ультрафиолетового до инфракрасного — и преобразует его в тепло. При этом он обладает огнеупорными свойствами, хотя и склонен к быстрому разложению на воздухе.
Защита от окисления. Чтобы стабилизировать фосфорин, каждый нанолист покрыли слоем дубильной кислоты и ионов железа. Образовавшаяся металлополифенольная сеть действует как молекулярный щит: предотвращает окисление и одновременно усиливает поглощение света за счёт эффекта переноса заряда. Эксперименты показали, что материал сохраняет стабильность даже после 150 дней воздействия солнечных лучей.
Усиление поглощения света. Добавление наночастиц серебра позволило повысить интенсивность взаимодействия материала с солнечным излучением благодаря плазмонному эффекту.
Гидрофобизация. На поверхность нанесли длинные углеводородные цепочки, сделав её крайне водоотталкивающей. Угол смачивания готовой структуры достиг 153° — вода просто скатывается с поверхности.
Заполнение каналов стеариновой кислотой. В микротрубочки ввели биоматериал с фазовыми переходами: при нагревании он плавится и запасает энергию, а при охлаждении затвердевает и высвобождает её.
Модифицированная древесина продемонстрировала впечатляющие характеристики:
Когда солнечный свет попадает на материал, он нагревает его и расплавляет стеариновую кислоту внутри каналов. После захода солнца накопленное тепло постепенно высвобождается, поддерживая температурный градиент в термоэлектрическом генераторе. Благодаря этому система продолжает вырабатывать электричество даже в темноте.
Испытания подтвердили долговечность материала:
Предложенный метод открывает новые возможности для солнечной энергетики. Древесина здесь выступает не просто каркасом, а активным элементом системы — она поглощает, запасает и защищает. Кроме того, отказ от высокотемпературной карбонизации позволил сохранить химические свойства материала, что упрощает его дальнейшую обработку.
Потенциальные сферы применения выходят за рамки энергетики:
Почему старые решения не работали?
Традиционные конструкции обычно состоят из нескольких слоёв: один элемент поглощает солнечный свет, другой накапливает тепло, третий выполняет защитную функцию. Однако эти компоненты действуют изолированно: на границах между слоями неизбежно происходят потери энергии, что снижает общую эффективность системы.
Новый подход: древесина как единая энергетическая платформа
Учёные предложили принципиально иную концепцию — превратить дерево в самодостаточную систему для сбора и хранения солнечной энергии. Изменив структуру материала на наноуровне, они получили образец, способный:
- поглощать солнечный свет;
- накапливать энергию в форме тепла;
- продолжать генерировать электричество после захода солнца.
Как преобразовали древесину?
В качестве исходного материала выбрали пробковое дерево — не из‑за его прочности, а благодаря уникальной внутренней структуре. Под микроскопом оно напоминает пучок выровненных микротрубочек диаметром 20–50 микрометров. Эти каналы способны проводить тепло и удерживать функциональные компоненты, выступая естественным каркасом для будущей системы.
Однако необработанная древесина имеет два существенных недостатка: она отражает солнечный свет и впитывает влагу. Чтобы устранить эти ограничения, учёные провели ряд преобразований:
Удаление лигнина. Этот компонент придаёт древесине цвет и жёсткость. После его извлечения пористость материала превысила 93 %, обнажив сеть реакционноспособных поверхностей внутри каналов.
Нанесение чёрного фосфорина. Стенки микротрубочек покрыли ультратонкими листами этого вещества. Фосфорин эффективно поглощает свет во всём спектре — от ультрафиолетового до инфракрасного — и преобразует его в тепло. При этом он обладает огнеупорными свойствами, хотя и склонен к быстрому разложению на воздухе.
Защита от окисления. Чтобы стабилизировать фосфорин, каждый нанолист покрыли слоем дубильной кислоты и ионов железа. Образовавшаяся металлополифенольная сеть действует как молекулярный щит: предотвращает окисление и одновременно усиливает поглощение света за счёт эффекта переноса заряда. Эксперименты показали, что материал сохраняет стабильность даже после 150 дней воздействия солнечных лучей.
Усиление поглощения света. Добавление наночастиц серебра позволило повысить интенсивность взаимодействия материала с солнечным излучением благодаря плазмонному эффекту.
Гидрофобизация. На поверхность нанесли длинные углеводородные цепочки, сделав её крайне водоотталкивающей. Угол смачивания готовой структуры достиг 153° — вода просто скатывается с поверхности.
Заполнение каналов стеариновой кислотой. В микротрубочки ввели биоматериал с фазовыми переходами: при нагревании он плавится и запасает энергию, а при охлаждении затвердевает и высвобождает её.
Результаты испытаний
Модифицированная древесина продемонстрировала впечатляющие характеристики:
- запасание тепла: около 175 кДж на килограмм материала;
- эффективность преобразования: 91,27 % солнечного света переводится в полезное тепло;
- теплопроводность: передача тепла вдоль волокон древесины улучшилась в 3,9 раза;
- выработка электричества: в сочетании с термоэлектрическим генератором система выдаёт до 0,65 В при стандартном освещении (один солнечный поток).
Принцип работы и долговечность
Когда солнечный свет попадает на материал, он нагревает его и расплавляет стеариновую кислоту внутри каналов. После захода солнца накопленное тепло постепенно высвобождается, поддерживая температурный градиент в термоэлектрическом генераторе. Благодаря этому система продолжает вырабатывать электричество даже в темноте.
Испытания подтвердили долговечность материала:
- после 100 циклов нагрева и охлаждения его свойства практически не изменились;
- материал не воспламеняется и самозатухает в течение двух минут;
- антимикробная поверхность препятствует размножению бактерий, что особенно важно для эксплуатации на открытом воздухе.
Перспективы применения
Предложенный метод открывает новые возможности для солнечной энергетики. Древесина здесь выступает не просто каркасом, а активным элементом системы — она поглощает, запасает и защищает. Кроме того, отказ от высокотемпературной карбонизации позволил сохранить химические свойства материала, что упрощает его дальнейшую обработку.
Потенциальные сферы применения выходят за рамки энергетики:
- борьба с перегревом электронных устройств;
- создание энергоэффективных строительных материалов;
- поддержка автономных энергосистем, где надёжность важнее пиковой мощности.