University of Massachusetts Amherst
Raziskovalci opisujejo “splošni Air-gen učinek” – skoraj vsak material je mogoče opremiti z nanoporami za zbiranje stroškovno učinkovite, skalabilne in neprekinjene električne energije.
Ekipa inženirjev z Univerze Massachusetts Amherst je pred kratkim dokazala, da je mogoče skoraj vsak material spremeniti v napravo, ki neprekinjeno pridobiva električno energijo iz vlage v zraku. Skrivnost je v tem, da lahko material opremimo z nanoporami s premerom manj kot 100 nanometrov. Raziskava je bila objavljena v reviji Advanced Materials [1].
“To je zelo razburljivo,” pravi Xiaomeng Liu, podiplomski študent elektrotehnike in računalništva na fakulteti UMass Amherst [2] in glavni avtor članka. “Odpiramo široka vrata za pridobivanje čiste električne energije iz zraka.”
“Zrak vsebuje ogromno električne energije,” pravi Jun Yao [3], docent elektrotehnike in računalništva na Fakulteti za strojništvo UMass Amherst in soavtor članka. “Pomislite na oblak, ki ni nič drugega kot množica vodnih kapljic. Vsaka od teh kapljic vsebuje naboj, in ko so pogoji primerni, lahko oblak ustvari strelo, vendar ne vemo, kako zanesljivo zajeti elektriko iz strele. Mi smo ustvarili majhen oblak, ki ga je zgradil človek in ki za nas predvidljivo in neprekinjeno proizvaja električno energijo, tako da jo lahko pridobivamo.”
Srce oblaka, ki ga je ustvaril človek, je odvisno od tega, kar Yao in njegovi sodelavci imenujejo “generični učinek Air-gen”, in temelji na delu, ki sta ga Yao in soavtor Derek Lovley [4], zaslužni profesor mikrobiologije na UMass Amherst, že opravila leta 2020 in pokazala, da je mogoče elektriko neprekinjeno pridobivati iz zraka z uporabo specializiranega materiala iz beljakovinskih nanožic, pridobljenih iz bakterije Geobacter sulfurreducens [5].
“Po odkritju bakterije Geobacter smo ugotovili,” pravi Yao, “da je sposobnost pridobivanja električne energije iz zraka – kar smo takrat poimenovali ‘Air-gen učinek’ – splošna: dobesedno vsak material lahko pridobiva električno energijo iz zraka, če ima določeno lastnost.”
In kaj je ta lastnost? “Imeti mora luknje, manjše od 100 nanometrov (nm), kar je manj kot tisočinka širine človeškega lasu.”
Razlog za to je parameter, imenovan “srednja prosta pot”, razdalja, ki jo posamezna molekula neke snovi, v tem primeru vode v zraku, prepotuje, preden naleti na drugo posamezno molekulo iste snovi. Ko so molekule vode suspendirane v zraku, je njihova srednja prosta pot približno 100 nm.
Yao in njegovi sodelavci so ugotovili, da bi lahko na podlagi tega števila zasnovali električni zbiralnik. Ta zbiralnik bi bil izdelan iz tanke plasti materiala, napolnjenega z nanoporami, manjšimi od 100 nm, ki bi prepuščale molekule vode iz zgornjega v spodnji del materiala. Ker pa je vsaka pora tako majhna, bi molekule vode pri prehodu skozi tanko plast zlahka trčile ob rob pore. To pomeni, da bi bil zgornji del plasti bombardiran z veliko več molekulami vode, ki nosijo naboj, kot spodnji del, kar bi povzročilo neravnovesje naboja, podobno kot v oblaku, saj bi zgornji del povečal svoj naboj v primerjavi s spodnjim delom. To bi dejansko ustvarilo baterijo, ki bi delovala, dokler bi bila v zraku prisotna vlaga.
“Ideja je preprosta,” pravi Yao, “vendar še nikoli prej ni bila odkrita in odpira vse vrste možnosti.” Zbiralnik je mogoče oblikovati iz dobesedno vseh vrst materialov, kar ponuja široko izbiro stroškovno učinkovitih in okolju prilagodljivih izdelkov. “Lahko si predstavljamo zbiralnike iz ene vrste materiala za okolja deževnega gozda in druge za bolj sušna območja.”
Ker je vlaga vedno prisotna, bi zbiralnik deloval 24 ur na dan, 7 dni v tednu, v dežju ali soncu, ponoči in ne glede na to, ali piha veter ali ne, kar rešuje enega glavnih problemov tehnologij, kot sta vetrna ali sončna, ki delujeta le pod določenimi pogoji.
Ker se zračna vlaga širi v tridimenzionalnem prostoru, debelina naprave Air-gen pa je le delček širine človeškega lasu, jih je mogoče več tisoč postaviti eno na drugo, s čimer se količina energije učinkovito poveča, ne da bi se povečala površina naprave. Takšna Air-gen naprava bi lahko zagotavljala kilovatno moč za splošno uporabo v električnih omrežjih.
“Predstavljajte si svet prihodnosti, v katerem je čista električna energija na voljo povsod, kamor greste,” pravi Yao. “Generični Air-gen učinek pomeni, da lahko ta prihodnji svet postane resničnost.”
To raziskavo so podprli National Science Foundation, Sony Group, Link Foundation in Institute for Applied Life Sciences (IALS) [6] na univerzi UMass Amherst, ki združuje globoko in interdisciplinarno strokovno znanje 29 oddelkov na univerzi UMass Amherst, da bi temeljne raziskave prenesli v inovacije, ki koristijo zdravju in dobremu počutju ljudi.
Viri:
1: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202300748
2: https://www.umass.edu/engineering/
3: https://www.junyaoumass.org/
4: https://www.umass.edu/m2m/people/derek-r-lovley
5:https://www.umass.edu/news/article/new-green-technology-umass-amherst
6: https://www.umass.edu/ials/
