Zespół inżynierów z University of Massachusetts Amherst wykazał niedawno, że prawie każdy materiał można przekształcić w urządzenie, które w sposób ciągły pozyskuje energię elektryczną z wilgoci w powietrzu. Sekret tkwi w możliwości wypełnienia materiału nanoporami o średnicy mniejszej niż 100 nanometrów. Badania ukazały się w czasopiśmie Advanced Materials.
„To bardzo ekscytujące”, mówi Xiaomeng Liu, absolwent inżynierii elektrycznej i komputerowej w College of Engineering UMass Amherst i główny autor artykułu. „Otwieramy szerokie drzwi do pozyskiwania czystej energii elektrycznej z powietrza”.
“Powietrze zawiera ogromną ilość elektryczności” – mówi Jun Yao, adiunkt inżynierii elektrycznej i komputerowej w College of Engineering w UMass Amherst i starszy autor artykułu. „Pomyśl o chmurze, która jest niczym więcej niż masą kropelek wody. Każda z tych kropelek zawiera ładunek, a gdy warunki są odpowiednie, chmura może wytworzyć błyskawicę – ale nie wiemy, jak niezawodnie uchwycić elektryczność z piorunów. To, co zrobiliśmy, to stworzenie stworzonej przez człowieka chmury na małą skalę, która wytwarza dla nas energię elektryczną w sposób przewidywalny i ciągły, abyśmy mogli ją zbierać”.
Serce stworzonej przez człowieka chmury zależy od tego, co Yao i jego współpracownicy nazywają „ogólnym efektem Air-gen” i opiera się na pracy, którą Yao i współautor Derek Lovley, wybitny profesor mikrobiologii na UMass Amherst, wcześniej ukończyli w 2020 r., pokazując, że energia elektryczna może być w sposób ciągły pozyskiwana z powietrza przy użyciu specjalistycznego materiału wykonanego z nanodrutów białkowych wyhodowanych z bakterii Geobacter sulfurreducens.
„Po odkryciu Geobacter zdaliśmy sobie sprawę”, mówi Yao, „że zdolność do generowania elektryczności z powietrza – co wtedy nazywaliśmy „efektem generowania powietrza” – okazuje się ogólna: dosłownie każdy rodzaj materiał może pozyskiwać energię elektryczną z powietrza, o ile ma pewną właściwość”.
Ta nieruchomość? „Musi mieć otwory mniejsze niż 100 nanometrów (nm) lub mniej niż jedna tysięczna szerokości ludzkiego włosa”.
Wynika to z parametru znanego jako „średnia droga swobodna”, czyli odległości, jaką pokonuje pojedyncza cząsteczka substancji, w tym przypadku wody w powietrzu, zanim zderzy się z inną pojedynczą cząsteczką tej samej substancji. Kiedy cząsteczki wody są zawieszone w powietrzu, ich średnia droga swobodna wynosi około 100 nm.
Yao i jego współpracownicy zdali sobie sprawę, że mogą zaprojektować kombajn elektryczny w oparciu o tę liczbę. Ten kombajn byłby wykonany z cienkiej warstwy materiału wypełnionej nanoporami mniejszymi niż 100 nm, które przepuszczałyby cząsteczki wody z górnej do dolnej części materiału. Ale ponieważ każdy por jest tak mały, cząsteczki wody z łatwością zderzają się z krawędzią porów, gdy przechodzą przez cienką warstwę. Oznacza to, że górna część warstwy byłaby bombardowana znacznie większą liczbą cząsteczek wody przenoszących ładunek niż dolna część, tworząc nierównowagę ładunku, podobnie jak w chmurze, ponieważ górna część zwiększała swój ładunek w stosunku do dolnej części. To skutecznie stworzyłoby baterię – taką, która działa tak długo, jak długo w powietrzu jest wilgoć.
„Pomysł jest prosty”, mówi Yao, „ale nigdy wcześniej go nie odkryto, a otwiera wiele możliwości”. Kombajn można zaprojektować z dosłownie wszystkich rodzajów materiałów, oferując szeroki wybór opłacalnych i dostosowanych do środowiska produkcji. „Można sobie wyobrazić kombajny wykonane z jednego rodzaju materiału dla środowisk lasów deszczowych, a innego dla bardziej suchych regionów”.
A ponieważ wilgoć jest zawsze obecna, kombajn pracowałby 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, w deszczu lub w słońcu, w nocy i bez względu na to, czy wieje wiatr, co rozwiązuje jeden z głównych problemów technologii wiatrowych lub słonecznych, które działają tylko w określonych warunkach .
Wreszcie, ponieważ wilgotność powietrza dyfunduje w przestrzeni trójwymiarowej, a grubość urządzenia Air-gen to tylko ułamek szerokości ludzkiego włosa, wiele tysięcy z nich można ułożyć jeden na drugim, efektywnie zwiększając ilość energii bez zwiększania gabarytów urządzenia. Takie urządzenie Air-gen byłoby w stanie dostarczyć moc na poziomie kilowatów do ogólnych zastosowań elektrycznych.
„Wyobraź sobie przyszły świat, w którym czysta energia elektryczna jest dostępna wszędzie” – mówi Yao. „Ogólny efekt generatora powietrza oznacza, że ten przyszły świat może stać się rzeczywistością”.
Badania te były wspierane przez National Science Foundation, Sony Group, Link Foundation oraz Institute for Applied Life Sciences (IALS) w UMass Amherst, który łączy głęboką i interdyscyplinarną wiedzę fachową z 29 wydziałów kampusu UMass Amherst w celu przełożenia badań podstawowych na innowacje które korzystnie wpływają na zdrowie i samopoczucie ludzi.