Группа инженеров из Массачусетского университета в Амхерсте недавно продемонстрировала, что почти любой материал можно превратить в устройство, которое непрерывно собирает электричество из влажности воздуха. Секрет заключается в возможности наполнить материал нанопорами диаметром менее 100 нанометров. Исследование было опубликовано в журнале Advanced Materials.
В воздухе содержится огромное количество электричества. Подумайте об облаке, которое представляет собой не что иное, как массу капель воды. Каждая из этих капель содержит заряд, и при подходящих условиях облако может произвести разряд молнии, но мы не знаем, как надежно улавливать электричество от молнии. Ученые решили сделать шаг в другом направлении и создали небольшое облако, которое предсказуемо и непрерывно производит для электричество.
Суть рукотворного облака состоит в том, что авторы работы называют "общим эффектом генерации воздуха", и основывается на более ранней научной публикации, в которой было показано, как электричество можно непрерывно получать из воздуха с помощью специального материала, состоящего из белковых нанопроволок, выращенных из бактерии Geobacter Sulfreducens.
После открытия Geobacter ученые поняли, что способность генерировать электричество из воздуха оказывается универсальной: буквально любой материал может получать электричество из воздуха, если он обладает определенным свойством: в нем должны быть отверстия размером менее 100 нанометров (нм) или менее одной тысячной ширины человеческого волоса.
Это связано с параметром, известным как "длина свободного пробега" — расстоянием, которое проходит одна молекула вещества, в данном случае воды в воздухе, прежде чем она столкнется с другой одиночной молекулой того же вещества. Когда молекулы воды взвешены в воздухе, их длина свободного пробега составляет около 100 нм.
Ученые быстро осознали, что они могут разработать сборщик электроэнергии на основе этого числа. Этот сборщик будет сделан из тонкого слоя материала, заполненного нанопорами размером менее 100 нм, которые позволят молекулам воды проходить из верхней части материала в нижнюю. Но поскольку каждая пора очень мала, молекулы воды легко столкнутся с краем поры, проходя через тонкий слой. Это означает, что верхняя часть слоя будет бомбардироваться гораздо большим количеством молекул воды, несущих заряд, чем нижняя часть, создавая дисбаланс заряда, как в облаке, поскольку верхняя часть увеличивает свой заряд по сравнению с нижней частью. Это фактически создало бы батарею, которая работает до тех пор, пока в воздухе есть хоть какая-то влажность.
Идея проста, но она никогда не рассматривалась раньше, и она открывает множество возможностей. Такая "электростанция" может быть изготовлена, буквально, из любого материала, предлагая широкий выбор экономичных и адаптируемых к окружающей среде конструкций. А поскольку влажность всегда присутствует, сборщик электричества будет работать круглосуточно и без выходных, в дождь или в солнечную погоду, ночью и независимо от того, дует ветер или нет, что решает одну из основных проблем таких технологий, как ветровая или солнечная, которые работают только при определенных условиях.
Наконец, поскольку влажность воздуха рассеивается в трехмерном пространстве, а толщина устройства Air-gen составляет лишь часть ширины человеческого волоса, многие тысячи таких устройств можно складывать друг на друга, эффективно увеличивая количество энергии без увеличения занимаемой площади. Такое устройство Air-gen будет способно поставлять мощность на уровне киловатта для общего использования электроэнергией.
Точные сроки коммерциализации исследования небыли обнародованы, но наверняка быстро найдутся инвесторы среди компаний старающихся подстроиться под актуальные требования к "углеродному следу".
