Badacze z University of Massachusetts Amherst zademonstrowali światu urządzenie, które może w sposób ciągły pozyskiwać energię elektryczną z wilgoci zawartej w powietrzu. Co więcej, niemal każdy materiał można przekształcić w podobny sprzęt, wystarczy, że zostanie on wypełniony nanoporami o średnicy mniejszej niż 100 nanometrów. Jednak obecnie jeszcze nie jest to rozwiązanie gotowe do praktycznego zastosowania, ale, jak twierdzą jego twórcy, wykracza poza niektóre ograniczenia innych metod pozyskiwania energii.
Z roku na rok zapotrzebowanie ludzkości na energię elektryczną rośnie. Skąd jeszcze możemy ją czerpać? Okazuje się, że niektóre jej potencjalne źródła są trudne do dostrzeżenia, ale energia ta znajduje się dosłownie na wyciągnięcie ręki. Dowiedli tego badacze z University of Massachusetts Amherst. Opracowali oni urządzenie, które może czerpać energię korzystając z wilgotności powietrza.
Opis i rezultaty badań ukazały się na łamach pisma „Advanced Materials” (DOI: 10.1002/adma.202300748).
Warunkiem działania urządzenia opracowanego przez amerykańskich badaczy jest powietrze, a może nie samo powietrze, co odpowiednia jego wilgotność. Aby to zobrazować wystarczy, że pomyślimy przez chwilę o chmurze. Jak wiemy stanowi ona olbrzymie skupisko kropelek wody. A każda z tych kropelek posiada jakiś ładunek elektryczny. Kiedy warunki stają się sprzyjające, ładunki te mogą spowodować, że w chmurze powstanie błyskawica.
Jednakże póki co, pozyskiwanie energii elektrycznej bezpośrednio z błyskawic znajduje się poza naszymi możliwościami. Należałoby zatem spróbować wykorzystać tę energię jeszcze zanim dojdzie do powstania wyładowań atmosferycznych. I na tym właśnie polega pomysł grupy naukowców. Jak dotychczas udało im się stworzyć w laboratorium niewielką chmurę, która w kontrolowany i przewidywalny sposób jest w stanie produkować energię.
Ale w jaki jednak sposób coś takiego jest w ogóle możliwe? Jaki jest mechanizm działania takiego „generatora prądu”? Otóż zdaniem twórców tej metody jest to stosunkowo proste. Potrzebujemy do tego jedynie porowatego materiału, w którym pory, a w zasadzie należałoby powiedzieć nanopory, miałyby średnicę zaledwie 100 nanometrów. Wydaje się to jednym z zadań z gatunku łatwiej powiedzieć, niż zrobić, aczkolwiek nie jest to niemożliwe. W każdym razie odnosząc to do wyobrażalnych dla nas wielkości: jest to mniej więcej jedna tysięczna grubości ludzkiego włosa.
Dlaczego akurat 100 nanometrów? Wynika to z parametru znanego jako średnia droga swobodna, czyli odległości, jaką pokonuje pojedyncza cząsteczka danej 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 nanometrów.
Cienka warstwa nanoporowatego materiału może być wykonana np. z celulozy czy tlenku grafenu. Znajdujące się w powietrzu cząsteczki wody bez problemu wnikają w nanopory. Później stopniowo opuszczają się one z góry na dół, jednakże po drodze przemieszczają się po ściankach porów. Oznacza to, że górna część warstwy porowatego materiału byłaby bombardowana znacznie większą ilością cząsteczek wody przenoszących ładunek niż jej dolna część, tworząc nierównowagę ładunku, podobnie jak w chmurze, bo coś podobnego obserwujemy chociażby w kontekście powstawania błyskawic. W taki sposób powstał generator, która może działać tak długo, jak długo w powietrzu jest wilgoć.
Wyprodukowana w ten sposób energia mogłaby posłużyć do zasilenia niewielkiego urządzenia lub zostać zmagazynowana w bateriach. Nie powinniśmy się jednak spodziewać, że już za chwilę usiądziemy sobie wygodnie w parku w dniu, w którym wilgotność powietrza będzie wysoka i po prostu wyjmiemy panel, dzięki któremu np. naładujemy smartfona.
Obecnie prace znajdują się jeszcze na bardzo wczesnym etapie. Np. przy pomocy warstwy materiału z celulozy udało się wygenerować napięcie na poziomie jedynie 260 miliwoltów, podczas gdy telefon komórkowy potrzebuje przynajmniej 5 woltów. Jednak takie warstwy będzie można kumulować, zwiększając ich możliwości. Najważniejszy jest jednak fakt, że zaobserwowany efekt istnieje i otwiera przed nami naprawdę wiele możliwości.
Wilgoć jest niemal zawsze obecna w powietrzu, dlatego taki generator mógłby pracować 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, w deszczu lub w słońcu, w nocy i w dzień, bez względu na to, czy wieje wiatr. To co rozwiązuje jeden z głównych problemów technologii pozyskiwania energii z wiatru lub Słońca, które działają tylko w określonych warunkach.
Źródło: University of Massachusetts Amherst, Science Alert, fot. Derek Lovley/Ella Maru Studio
