Naše solární baterie mohou řešit problém s výkyvy sluneční energie, říká čerstvý držitel ERC grantu Tomáš Slanina

Tomáš se stal před šesti lety stipendistou Nadace Experientia a od roku 2019 jako člen správní rady nadaci pomáhá posouvat českou chemii směrem k celosvětové špičce. Při výjimečné příležitosti oznámení ERC Starting grantů pro rok 2022 přinášíme rozhovor s Tomášem o jeho revolučním projektu solárních baterií, které mohou řešit problém s výkyvy sluneční energie. “Navrhujeme systém, který umí nejen vyrábět elektřinu ze slunce, ale zároveň ji také ukládat do chemických vazeb a následně kontrolovaným způsobem uvolňovat. Díky solárním bateriím by nemusela výsledná elektřina kolísat na základě toho, jak na solární článek svítí slunce, ale mohla by být v čase uvolňována rovnoměrně,” vysvětluje Tomáš podstatu projektu, který Evropská výzkumná rada (European Research Council, ERC) ocenila pětiletým grantem ve výši cca 1,5 milionu eur, tedy přes 35 milionů korun.

Prestižní ERC Starting grant jste získal na inovativní projekt solárních baterií. Co si pod tím můžeme představit?

Projekt solárních baterií je náš návrh na vylepšení současné technologie solárních panelů. Ty dnes vyrábí elektřinu pouze na základě toho, jak na ně svítí slunce. Když slunce zajde za mrak, tak výkon solárních panelů klesá. To je největší komplikace spojená s masovým přechodem na udržitelné zdroje energie. My chceme tento problém s výkyvy sluneční energie řešit, a to právě za pomoci solárních baterií. Zaměřujeme se přitom na molekulární podstatu výroby elektrické energie přímo v organických solárních článcích. Navrhujeme systém, který umí nejen vyrábět elektřinu, ale zároveň ji také ukládat do chemických vazeb a následně kontrolovaným způsobem uvolňovat. Díky solárním bateriím by nemusela výsledná elektřina kolísat na základě toho, jak na solární článek svítí slunce, ale mohla by být v čase uvolňována rovnoměrně.

Na jakém principu solární baterie fungují?

Je to molekulární systém, který využívá speciální molekulární přepínače. Můžeme si je představit jako velmi malé molekuly, které umí v reakci na světelnou energii vytvářet chemickou vazbu, do níž ukládají elektrony jako nosiče elektrické energie. Molekulární přepínače mají ale ještě jednu důležitou vlastnost, a to že umí na základě vnějšího podnětu tuto vazbu opět rozštěpit a uložené elektrony ve formě elektrické energie znovu uvolnit.

Proč je výhodné ukládat energii ze světla do chemických vazeb?

Protože vytváříme unikátní solární palivo. Sluneční energii uchováváme přímo v solární baterii, odkud ji následně můžeme znovu využít. To je velký rozdíl oproti klasickým solárním palivům, které pro výrobu elektrické energie používají vysoce energetické napnuté molekuly, jež uchovávají energii a vylučují ji zpět ve formě tepla. Proces proměny přes teplo je ovšem vždy velmi ztrátový. Naše technologie by tento problém odbourala.

Evropská výzkumná rada oceňuje projekty s revoluční myšlenkou, která může výrazně ovlivnit daný obor. V čem spočívá revoluce vaší idey?

Současný výzkum v oblasti solárních článků se snaží co nejúčinněji zachytit solární záření a převést ho na elektrickou energii. Já si ale myslím, že můžeme jít ještě dál a že můžeme posunout hranice oboru tím, že se nebudeme pouze snažit přeměňovat solární záření na energii, ale že budeme elektrickou energii efektivně ukládat přímo do molekul. Tím můžeme solárním panelům přidat novou dimenzi ve smyslu, jak nakládají se zachycenou sluneční energií.

Nikdo jiný s touto myšlenkou zatím nepřišel?

Nikoliv. Je to konceptuálně úplně nová idea, ke které neexistuje žádný analog. Osobně to přirovnávám k diodě. Dioda je, zjednodušeně řečeno, zařízení, které vede elektřinu jedním směrem a druhým ne. Člověk by si před několika desetiletími řekl: “A k čemu to je?” A dnes je dioda součástí veškeré elektroniky, bez ní bychom si ani neškrtli. S naším molekulárním systémem je to podobné. Je těžké dohlédnout, jaké bude mít jednou využití v praxi, ale to pro základní výzkum není tak podstatné. Ten koncept sám o sobě mi přijde natolik zajímavý a fascinující, že se jím chci zabývat. Financování od ERC mi potvrdilo, že to i mezinárodní experti považují za skutečně inovativní přístup a že stojí za to myšlenku solární baterie rozpracovat.

Nadace Experientia/Barbora Mráčková: Tomáš Slanina z ÚOCHB AV ČR

Pamatujete si, jak vás idea solární baterie napadla?

To si vzpomínám docela přesně. Asi před pěti lety jsem byl v německém Regensburgu na přednášce jednoho profesora a vracel jsem se přes park zpátky do své laboratoře. Byl jsem jeho přednáškou zasažen. Uvědomil jsem si, že přednáška toho vědce byla tak dobrá proto, že dělá už dvacet let přesně to, co chce dělat, je v tom nejlepší a stále ho to baví a fascinuje. Řekl jsem si, že si také musím najít nějakou svou velkou myšlenku, téma, kterému bych se mohl dlouhodobě věnovat a které by mohlo fundamentálně posunout hranice oboru. Dost lidí mi říkalo, ať si vezmu to, co je potřeba a začnu to řešit. Já jsem k tomu ale přistoupil opačně. Řekl jsem si, že chci dělat něco, za čím bude nějaká elegantní myšlenka. Něco, co skutečně je intelektuálně krásné. Začal jsem si myšlenky v hlavě skládat vedle sebe a vykrystalizoval z toho předchůdce solární baterie.

Bylo snadné pro ten nápad nadchnout další lidi?

Od prvního nápadu až k ERC podpoře vedla celkem dlouhá cesta. Několikrát jsem žádal o různou grantovou podporu a ne vždy se to povedlo. Myšlenka solární baterie byla tak neobvyklá, že spousta lidí nevěřila tomu, že by šla realizovat. Trvalo poměrně dlouhou dobu, než jsem dokázal přesvědčit ostatní i na základě několika prvotních experimentů, že to skutečně je možné. Dnes už máme první funkční prototyp systému, který se dokáže chovat tak, jak jsme předpokládali, a proto jsem sebral odvahu a žádal jsem o ERC Starting grant. Věřím tomu, že náš molekulární systém fungovat bude, a to i v prostředí solárních panelů.

Jak náročné bude testovat prototyp v prostředí solárních panelů?

Naštěstí již máme určité know-how, takže například víme, jak naše látky testovat v prostředí solárních panelů, zatím jako aditiva. Víme také, jak změřit, jestli se v nich požadovaný proces skutečně děje, a to i v pevné fázi, nikoliv jen v roztoku.

S kým plánujete spolupracovat nebo s kým už spolupracujete?

Největší spolupráci v oblasti solárních panelů máme s profesorem Trimmelem z TU Graz v Rakousku, ale máme spoustu dalších tuzemských i zahraničních partnerů, kteří nám nějakým způsobem pomáhají, ať už se jedná o měření fyzikálně-chemických parametrů, výpočty apod.

Nabízí se otázka, jak naložíte s tím, když o váš systém projeví zájem někdo z komerční sféry?

Snažíme se především o to přinést novou myšlenku, nový koncept. Cesta směrem k aplikacím je vždy naznačená, ale nechceme primárně dělat aplikovaný výzkum, tzn. optimalizovat nějaký z našich systémů až do chvíle, kdy bude komerčně dostupný. Spíše chceme inspirovat a ukázat cestu, která tímto směrem vyústí. Pokud bude náš systém inspirovat nejen vědecky, ale dejme tomu i vývojově další výzkumníky nebo firmy, tak to bude samozřejmě skvělé.

Na ÚOCHB AV ČR vedete už třetím rokem výzkumnou skupinu. Čím jste se dosud zabývali a jak do toho zapadne nové téma solárních baterií?

Naše skupina vznikla v dubnu 2019 a zabývá se tzv. redoxní fotochemií. Fotochemie (oblast chemie, která studuje interakce mezi atomy nebo molekulami a světlem, pozn. aut.) je mé hlavní téma, kterým se zabývám celou svou vědeckou kariéru. Na ÚOCHB jsme k tomu přidali ještě redoxní procesy (nebo též oxidačně-redukční reakce, při kterých dochází k přenosu elektronů, pozn. aut.), a to z toho důvodu, že jsou v moderní organické chemii velice relevantní. Téma ukládání elektronů do chemických vazeb směrem k molekulárním solárním elektrickým bateriím do toho zapadá skvěle. Mám velkou radost, že se nám pro náš výzkum podařilo získat tak velkorysou grantovou podporu z různých zdrojů.

Už dva stipendisté Nadace Experientia mají ERC grant

Cesta Tomáše Slaniny, fotochemika a čerstvého držitele nejprestižnějšího evropského vědeckého grantu pro mladé vědce ERC Starting grant, je silně spjata s naší nadací. V roce 2016 díky stipendiu Nadace Experientia Tomáš vycestoval na zahraniční stáž na Goetheho univerzitu ve Frankfurtu nad Mohanem. Jak sám říká, stáž mu pomohla nastartovat vědeckou kariéru: “Změnilo to způsob, jakým přemýšlím o vědeckém světě a o své budoucnosti.” Po návratu ze zahraničí Tomáš založil vlastní výzkumnou skupinu Redoxní fotochemie na ÚOCHB AV ČR a zároveň se stal členem Správní rady Nadace Experientia, které od té doby svojí expertizou pomáhá s vizemi, jak posouvat českou chemii směrem k celosvětové špičce. Tomáš je v pořadí již druhým stipendistou Nadace Experientia, který získal prestižní ERC grant (loni jej získal stipendista roku 2014 Tomáš Šolomek, který vede vlastní výzkumnou skupinu ve švýcarském Bernu).

Co pro vaši skupinu znamená získání ERC Starting grantu?

Pro skupinu to znamená stabilitu na dalších 5 let, neboť se jedná o podporu ve výši cca 1,5 milionu eur, tedy přes 35 milionů korun. Budeme si moct dovolit značně rozšířit i naše přístrojové vybavení. Klíčové bude také rozšíření našeho týmu o experty z oblastí, se kterými nemáme příliš zkušenosti, například právě z oblasti konstrukce solárních panelů. ERC grant s sebou samozřejmě nese i větší zviditelnění naší skupiny, které nám může pomoci tyto odborníky přitáhnout.

Jak teď začnete na výzkumu pracovat? Kolik lidí se do něj zapojí?

Na formulování myšlenek už pracujeme nějakou dobu, prvotní experimenty již potvrdily funkčnost konceptu. Teď se budeme náš systém snažit převést do solárních baterií. Na projektu začne od první půlky tohoto roku pracovat asi šest lidí, z nichž každý bude mít svůj vlastní úkol. Budeme kombinovat expertizu organické syntézy, spektroskopie, měření elektrochemických vlastností a mechanismu výroby, přípravy a měření solárních panelů.

Na jakou část výzkumu se nejvíc těšíte vy osobně?

Nejvíc se těším na to, až nám systém začne fungovat v pevném stavu, až budeme mít materiál, který se bude skutečně chovat tak, jak předpovídáme. První milník dokazující, že funkce je možná, jsme už překonali a teď se chceme dostat směrem k funkčnímu zařízení, což je velká výzva. I proto chceme doplnit tým o materiálové chemiky, kteří mají zkušenost s přenosem malých organických molekul do solárních aplikací.

A co bude pro vás v tomto projektu zadostiučiněním?

Možná to bude znít divně, ale pro mě bude zadostiučiněním to, že se naučím, jak námi navržený princip funguje. Mě více zajímá to, co o tématu můžeme zjistit než to, jestli to nakonec bude fungovat tak, jak si teď představujeme. Vnímám to tak, že můžeme začít psát kapitolu redoxní chemie v pevném stavu pomocí světla, což je úplně nový obor.

Kdo nebo co vám na cestě k ERC grantu nejvíc pomohlo?

ERC grant je extrémně kompetitivní proces, chtějí ho všichni. Je to tak silně výběrová záležitost, že projít přes všechna ta síta je velmi složité. Člověk musí zkombinovat spoustu různých faktorů, kromě skvělého projektu je to životopis, publikační výsledky, nápad a příležitost, a to vše se musí navíc sejít ve správný čas v kariéře. Pomohlo mi spoustu lidí. Jednak to byli lidé, kteří mě inspirovali svojí prací nebo mi pomohli zformulovat myšlenky do nějaké srozumitelné podoby, protože to je při žádosti o grant velice důležité. A pak mi pomohly různé semináře, kurzy prezentačních dovedností, školení, grantová podpora na ÚOCHB AV ČR i pomoc s grafickým designem samotné žádosti apod. Je to jako když se člověk připravuje na prezidentskou kampaň, tak má kolem sebe poradce na všechno. Já jsem neměl poradce na všechno, ale řekl jsem si, že použiju jakoukoliv pomoc, kterou použít můžu a která mi bude připadat smysluplná.

A kdybychom se ohlédli za celou vaši kariérou od studia chemie až po tento moment?

Určitě mi nejvíc pomohlo to, že v každé části studia a následné kariéry jsem měl velké štěstí na lidi. Magisterské studium jsem vystudoval u prof. Petra Klána na Masarykově univerzitě v Brně, kde jsem se toho naučil opravdu hodně nejen o chemii, fotochemii, ale i o dalších metodách. Duální Ph.D. jsem absolvoval kromě brněnské univerzity ještě na německé univerzitě v Regensburgu, kde jsem si mohl rozšířit oblast expertizy o fotoredoxní katalýzu, ze které můj ERC projekt hodně vychází. Dalším přelomovým zlomem kariéry bylo, že jsem získal stipendium od Nadace Experientia na postdoktorandskou zahraniční stáž na Goetheho univerzitě ve Frankfurtu nad Mohanem, kde jsem fotochemii mohl používat v chemické biologii. A vlastně jsem dnes vděčný i za to, že má cesta k založení vlastní výzkumné skupiny nebyla úplně bez klopýtnutí, že jsem – ač jsem to původně neplánoval – šel ještě na druhou postdoktorandskou stáž do švédské Uppsaly, kde jsem se toho naučil hodně o teoretické chemii a o způsobech, jak pomocí výpočetní chemie něco zjistit o světě. Klíčové pak bylo to, že jsem uspěl ve velmi kompetitivním mezinárodním výběrovém řízení na vedoucího juniorské výzkumné skupinu na ÚOCHB AV ČR, že se podařilo skupinu založit a že můžeme využívat nejen skvělé infrastruktury ústavu, ale také kontaktů a vztahů s ostatními výzkumnými skupinami.

Co je na vědě, kterou děláte, nejkrásnější?

Nejkrásnější je, když si člověk navrhne molekulární strukturu, kterou si nakreslí na papír, připraví ji v laboratoři a potom ji změří nebo podrobí nějakému fyzikálně-chemickému zkoumání a ona se chová tak, jak předpokládal, anebo se chová ještě zajímavěji.