Istnieje wiele sposobów generowania zrównoważonej energii elektrycznej - panele słoneczne, turbiny wiatrowe czy zapory wodne, ale jest jeszcze... rdza. Choć jest powszechnym problemem w infrastrukturze, to nowe badania pokazują, że w połączeniu z słoną wodą może być również źródłem energii elektrycznej.
Nowe badania przeprowadzone przez naukowców z California Institute of Technology (Caltech) i Northwestern University pokazują, że można generować energię elektryczną z cienkich warstw rdzy i słonej wody. To całkowicie nowy sposób wytwarzania energii i może być wykorzystany do opracowania nowych form zrównoważonej produkcji energii.
Interakcje między związkami metali i słoną wodą często wytwarzają elektryczność, ale zwykle jest to wynikiem reakcji chemicznej, w której jeden lub więcej związków jest przekształcanych w inne związki. Podobne reakcje zachodzą w akumulatorach.
Ale zjawisko odkryte przez Toma Millera, profesora chemii z Caltech i Franza Geigera, profesora chemii Northwestern University, nie obejmuje reakcji chemicznych. To raczej przekształcanie energii kinetycznej płynącej słonej wody w elektryczność. Wyniki badań i testów Millera i Geigera ukazały się na łamach pisma "Proceedings of the National Academy of Sciences".
Zjawisko elektrokinetyczne zaobserwowano wcześniej w cienkich warstwach grafenu - arkuszach atomów węgla ułożonych w sześciokątną siatkę - i jest niezwykle wydajne. W przypadki grafenu przekształcanie energii kinetycznej w energię elektryczną osiągało 30 proc. wydajność. Dla porównania, najlepsze panele słoneczne dostępne na rynku mają około 20 proc. wydajności.
Trudno jest jednak wytwarzać folie grafenowe i skalować je do użytecznych rozmiarów. Przede wszystkim ze względu na koszt uzyskania materiałów grafenowych. Ale cienkie warstwy rdzy są stosunkowo łatwe w produkcji i można je skalować do większych rozmiarów. - To zwyczajna rdza na żelazie, więc jest dość łatwa do wykonania na dużych powierzchniach – powiedział Miller.
Choć rdza tworzy się na stopach żelaza sama i nie potrzeba jej zbytnio pomagać, to w przypadku nowej metody potrzeba odpowiedni cienkich i stabilnych warstw rdzy. By takie stworzyć badacze wykorzystali proces zwany fizycznym osadzaniem z fazy gazowej (PVD), który zamienia normalnie stałe materiały, w tym przypadku tlenek żelaza, w parę, która następnie osadza się na pożądanej powierzchni. PVD pozwoliło im stworzyć warstwę tlenku żelaza o grubości 10 nanometrów, około 10 tysięcy razy cieńszą niż ludzki włos.
Tak przygotowane cienkie warstwy materiału po dodaniu roztworów słonej wody o różnych stężeniach wytwarzają kilkadziesiąt miliwoltów i kilka mikroamperów na centymetr kwadratowy.
- Płyty o powierzchni 10 metrów kwadratowych generowałyby kilka kilowatogodzin, co powinno wystarczyć dla standardowego domu. Oczywiście mniej wymagające aplikacje, w tym urządzenia o małej mocy, są bardziej obiecujące do osiągnięcia w najbliższym czasie – wyjaśnił Miller.
Mechanizm generowania energii elektrycznej jest dość złożony i obejmuje adsorpcję jonów i desorpcję, ale zasadniczo działa tak: ujemne jony obecne w słonej wodzie przyciągają elektrony w żelazie pod warstwą rdzy. W miarę jak słona woda płynie, płyną z nią również te jony, które ciągną za sobą elektrony w żelazie, co prowadzi do przepływu ładunku i wytworzenia prądu elektrycznego.
Miller twierdzi, że ten efekt może być przydatny w różnych scenariuszach. - Na przykład energia pływów czy boje kołyszące się w oceanie mogą być wykorzystane do pasywnej konwersji energii elektrycznej. Albo krew płynąca w twoich żyłach – też może być wykorzystana do generowania elektryczności, chociażby do zasilania implantów – powiedział Miller.
Źródło: California Institute of Technology, fot. Morteza Akhnia/Unsplash
