Електричество от влажен въздух може да захранва устройства

Никой в лабораторията не можеше да повярва на това, което виждаше. Експериментално устройство, сензор за влажност, бе започнало да генерира електрически сигнали. Добре, може да си помислите – само че това не би трябвало да е възможно, разказва в свой материал BBC Future.

По някаква причина студентът, който работеше върху устройството, забрави да включи захранването“, казва Джун Яо от университета на Масачузетс Амхърст. — „Това е началото на историята.“

От този момент преди пет години Яо и колегите му разработват технология, която може да събира електричество от нищо друго освен влажен въздух: концепция, известна като хигроелектричество. Това е идея, която съществува от много години. Никола Тесла и други са я изследвали в миналото, но никога не са постигнали обещаващи резултати. Това обаче може да се промени.

Множество изследователски групи по света откриват нови начини за събиране на електричество от водни молекули, които естествено се носят във въздуха. Възможно е, защото тези водни молекули могат да пренасят малки електрически заряди помежду си – процес, който изследователите се стремят да контролират. Предизвикателството е събирането на достатъчно електричество, за да може да се използва. Но сега учените вярват, че могат да съберат достатъчно реколта, за да захранват миниатюрни компютри или сензори.

Това повдига привлекателната перспектива за нова форма на възобновяема енергия, която може да се носи навсякъде около нас, практически 24/7.

Технологията

През 2020 г. Яо и колегите му публикуваха научна статия, която описва как малки протеинови нанопроводници, произведени от бактерия, могат да събират електричество от въздуха. Точният механизъм все още се обсъжда, но изглежда, че малките пори на материала могат да уловят плаващи водни молекули. Докато се търкат в материала, водните молекули изглежда също му придават заряд.

Яо обяснява, че в такава система повечето молекули остават близо до повърхността и отлагат много електрически заряд, докато няколко други проникват по-дълбоко. Това създава разлика в заряда между горната и долната част на слоя материал.

С течение на времето виждате, че се случва разделяне на заряда“, казва Яо. „Всъщност това се случва в облак.“

В много по-голям и по-драматичен мащаб буреносните облаци също създават натрупване на противоположни електрически заряди, които в крайна сметка се разреждат под формата на светкавица. Това означава, че чрез повлияване на движението на водните молекули и създаване на точните условия за разделяне на заряда, можете да генерирате електричество. „Устройството може да работи буквално навсякъде на Земята“, казва Яо.

Този документ от 2020 г. се оказа върхът на айсберга.

Яо и колегите му публикуваха последващо проучване през май 2023 г., където създадоха същия вид структура, пълна с нанопори, но използвайки различни материали – от люспи от графенов оксид и полимери до целулозни нановлакна, получени от дърво. Всички те работеха, макар и с малки разлики. Това предполага, че структурата е това, което има значение, а не самият материал.

В досегашните експерименти устройства, по-тънки от човешки косъм, генерираха много малки количества електричество, еквивалентни на част от волта. Яо предполага, че като просто направите повече материал или свържете части от него заедно, можете да започнете да получавате полезни заряди от няколко волта и нагоре. Може дори да се направи от течност, която може да се напръска върху повърхности, за да осигури мигновен източник на енергия, предполага той.

Мисля, че е наистина вълнуващо“, казва Решма Рао, инженер в Imperial College London в Обединеното кралство, който не е участвал в проучването. „Има огромна гъвкавост във вида на материалите, които можете да използвате.“

Въпреки това може да не е реалистично да си представим, че такава технология захранва цели сгради или гладни за енергия машини като автомобили, предупреждава Рао. Влажността може да е достатъчна само за захранване на устройства като сензори или малка преносима електроника.

Изследвания

Екипът на Яо не е единственият, който изследва влажния въздух като потенциален енергиен ресурс. През 2020 г. група в Израел успя да събере електричество чрез пропускане на влажен въздух между две метални парчета. Влажният въздух предизвика заряд в метала, докато течеше върху него.

Това явление е регистрирано за първи път през 1840 г., когато машинист на влак във въглищна мина северно от Нюкасъл, в североизточна Англия, почувствал странно изтръпване в ръката си, докато работел с двигателя. По-късно той забелязва малка искра, прескачаща между пръста му и един от лостовете на автомобила. Учените, които разследват инцидента, заключиха, че триенето на пара в метала на котела на двигателя е причинило натрупване на заряд.

Колин Прайс, изследовател по атмосферни науки в университета в Тел Авив в Израел, който е съавтор на доклада от 2020 г., казва, че зарядите, генерирани в лабораторни експерименти с малки парчета метал, са били много ниски. Той обаче добавя, че той и колегите работят върху подобряването на системата си. И все пак, едно ограничение може да бъде, че те изискват повторна относителна влажност от 60% или по-висока, докато устройствата на Яо и колегите му започват да генерират електричество при относителна влажност от около 20%.

Междувременно екип в Португалия работи по проект, финансиран от Европейския съюз, наречен CATCHER, който също има за цел да използва влажния въздух като източник на енергия. Свитлана Любчик, учен в университета Лусофона в Лисабон, Португалия, координира проекта и е съосновател на компания, наречена CascataChuva.

Мисля, че инженерният прототип ще бъде готов горе-долу до края на тази година“, казва Любчик, докато нейният син Андрий Любчик, който също е съосновател на компанията, представя видеоклип на малка LED светлина, която се включва и изключва.

Той вдига сив диск с диаметър около 4 см, направен от циркониев оксид, обяснявайки, че този материал може да улови водни молекули от влажен въздух и да ги принуди да текат през малки канали. Той казва, че това генерира електрически заряд, достатъчен да достави около 1.5 волта от един диск. Само два диска са достатъчни за захранване на светодиода, твърди той, добавяйки, че много повече парчета от материала могат да бъдат свързани заедно, за да се създаде още по-голяма мощност.

Въпреки това, докато известна информация за работата е достъпна онлайн, пълните подробности относно последните експерименти на екипа все още не са публикувани или рецензирани. Групата също така отказа да сподели всякакви материали, показващи как дисковете са свързани към светодиода, за да го захранват.

Предизвикателства

Остават много въпроси относно механизмите зад всички тези хигроелектрически начинания, казва Рао.

Има и въпрос на комерсиализация. Всеки, който иска да комерсиализира технология като тази, ще трябва да докаже достатъчна изходна мощност и конкурентоспособност по отношение на разходите в сравнение с други възобновяеми енергийни източници“, казва Сара Джордан, строителен инженер в университета Макгил в Канада, която изучава екологичните и икономическите компромиси от енергийните решения.

По-утвърдените технологии за възобновяема енергия като вятърна и слънчева енергия очевидно имат преднина. Те вероятно ще се окажат много по-значими през следващото десетилетие, време, когато преходът от изкопаеми горива е особено спешен. Въпреки тези предизвикателства, Рао казва, че остава „лъч надежда“, че нови енергийни материали ще се появят от изследванията.