Les chercheurs utilisent une méthode d’informatique quantique pour optimiser les photocommutateurs moléculaires pour la récupération de l’énergie solaire

Des photocommutateurs moléculaires capables à la fois de convertir et de stocker l’énergie pourraient être utilisés pour rendre la récupération de l’énergie solaire plus efficace. Une équipe de chercheurs a utilisé une méthode informatique quantique pour trouver une structure moléculaire particulièrement efficace à cet effet. La procédure était basée sur un ensemble de données de plus de 400 000 molécules, que les chercheurs ont examinées pour trouver la structure moléculaire optimale pour les matériaux de stockage de l'énergie solaire. Un article en libre accès sur l’étude est publié dans Angewandte Chemie International Edition.

À l’heure actuelle, l’énergie solaire est utilisée soit directement pour produire de l’électricité, soit indirectement via l’énergie stockée dans des réservoirs de chaleur. Une troisième voie pourrait consister à stocker d’abord l’énergie solaire dans des matériaux sensibles à la lumière, puis à la libérer selon les besoins.

Le projet MOST (« Molecular Solar Thermal Energy Storage »), soutenu par l'UE, explore des molécules telles que des photocommutateurs capables d'absorber et de stocker l'énergie solaire à température ambiante afin de créer une réalité pour une utilisation totalement sans émissions de l'énergie solaire.

Le projet MOST vise à développer et à démontrer un système de stockage d’énergie solaire à zéro émission basé sur des matériaux inoffensifs et entièrement renouvelables. Le système MOST est basé sur un système moléculaire capable de capter l’énergie solaire à température ambiante et de la stocker pendant de très longues périodes. Cela correspond à un cycle fermé de captage, de stockage et de libération d’énergie. Le projet MOST développera les systèmes moléculaires ainsi que les catalyseurs et dispositifs associés au-delà des performances et de l'échelle de pointe. Plus précisément, des capteurs solaires hybrides utilisant jusqu'à 80 % de l'énergie solaire entrante seront conçus et testés avec des dispositifs de dégagement de chaleur, qui combinent MOST avec le stockage d'énergie thermique (TES) permettant des cycles rapides de montée en température produisant de grands gradients de température. Illustration de Daniel Spacek/Neuron Collective

Les équipes de recherche de Kurt V. Mikkelsen de l'Université de Copenhague (Danemark) et de Kasper Moth-Poulsen de l'Université technique de Catalogne à Barcelone (Espagne) ont examiné de plus près les photocommutateurs les mieux adaptés à cette tâche.

Ils ont étudié des molécules appelées diènes bicycliques, qui passent à un état de haute énergie lorsqu'elles sont éclairées. L’exemple le plus frappant de ce système diène bicyclique est connu sous le nom de quadricyclane norbornadiène, mais il existe un grand nombre de candidats similaires. L'espace chimique comprend environ 466 000 diènes bicycliques que nous avons examinés pour leur applicabilité potentielle dans la technologie MOST, ont indiqué les chercheurs.

Le criblage d’une base de données de cette taille est généralement effectué par apprentissage automatique, mais cela nécessite de grandes quantités de données d’entraînement basées sur des expériences réelles, dont l’équipe ne disposait pas. À l'aide d'un algorithme développé précédemment et d'un nouveau score d'évaluation, « η » (eta), le criblage et l'évaluation des molécules de la base de données ont donné un résultat clair : les six molécules les mieux notées différaient du système quadricyclane norbornadiène d'origine à un point crucial de la structure.

Les chercheurs ont conclu que ce changement structurel, une expansion du pont moléculaire entre les deux anneaux carbonés dans la partie bicyclique, permettait aux nouvelles molécules de stocker plus d'énergie que le norbornadiène d'origine.

Les travaux des chercheurs démontrent le potentiel d'optimisation des molécules de stockage de l'énergie solaire. Mais les nouvelles molécules doivent d’abord être synthétisées et testées en conditions réelles.

Même si les systèmes peuvent être préparés par synthèse, il n'y a aucune garantie qu'ils soient solubles dans les solvants pertinents et qu'ils photochangeront réellement avec un rendement élevé ou pas du tout, comme nous l'avons supposé dans η.

Malgré cela, l’équipe a développé un nouvel et vaste ensemble de données de formation pour les algorithmes d’apprentissage automatique et a ainsi raccourci l’étape de recherche ardue avant la synthèse pour les chimistes qui s’attaqueront à de tels systèmes à l’avenir. Les auteurs envisagent que ce référentiel beaucoup plus vaste de diènes bicycliques prenne tout son sens pour la recherche sur les photocommutateurs pour diverses applications, facilitant potentiellement l'adaptation des molécules à des exigences spécifiques.