Інженери продемонстрували щось дивовижне. Майже будь-який матеріал можна використовувати для створення пристрою, який постійно збирає енергію з вологого повітря. Це не розробка, яка готова до практичного застосування, але, як кажуть її творці, вона перевершує деякі обмеження інших комбайнів. Усі необхідні матеріали мають бути насичені нанопорами діаметром менше 100 нанометрів. Це приблизно тисячна частина ширини людської волосини, тому легше сказати, ніж зробити, але набагато простіше, ніж очікувалося.
Такий матеріал може збирати електроенергію, що виробляється мікроскопічними краплями води у вологому повітрі, згідно з командою під керівництвом інженера Сяоменга Лю з Університету Массачусетса в Амгерсті.
Вони назвали своє відкриття «загальним ефектом Air-gen».
«Повітря містить величезну кількість електрики», — каже інженер Цзюнь Яо з UMass Amherst.
«Подумайте про хмару, яка являє собою не що інше, як масу крапель води. Кожна з цих крапель містить заряд, і за сприятливих умов хмара може створити блискавку, але ми не знаємо, як надійно вловлювати електрику. Ми створили невелику хмару, створену людиною, яка виробляє для нас електроенергію передбачувано та постійно, щоб ми могли її збирати».
Якщо Air-gen звучить знайомо, це тому, що команда раніше розробила збирач повітряної енергії. Однак їх попередній пристрій ґрунтувався на білкових нанодротах, вирощених бактерією під назвою Geobacter sulfurreducens.
Ну, як виявилося, бактерія не потрібна.
«Після відкриття Geobacter ми зрозуміли, що здатність виробляти електрику з повітря – те, що ми тоді назвали «ефектом повітряної генерації» – виявляється загальною: буквально будь-який вид матеріалу може збирати електрику з повітря, як за умови, що він має певну властивість”, – пояснює Яо.
Цією властивістю є нанопори, а їхній розмір залежить від вільного середнього пробігу молекул води у вологому повітрі. Це відстань, яку може пройти молекула води в повітрі, перш ніж зіткнутися з іншою молекулою води.
Універсальний пристрій Air-gen виготовляється з тонкої плівки матеріалу, наприклад целюлози, протеїну шовку або оксиду графену. Молекули води в повітрі можуть легко проникати в нанопори і рухатися від верхньої частини плівки до нижньої, але вони стикаються з боками пори під час руху.
Ці передачі заряду до матеріалу створюють накопичення, і оскільки більше молекул води потрапляє на верхню частину плівки, між двома сторонами виникає дисбаланс заряду.
Це створює ефект, схожий на той, який ми бачимо в хмарах, що створюють блискавку: повітря, що піднімається, створює більше зіткнень між краплями води у верхній частині хмари, що призводить до надлишку позитивного заряду у вищих хмарах і надлишку негативного заряду в нижніх.
У цьому випадку заряд потенційно може бути перенаправлений на живлення невеликих пристроїв або зберігатися в якомусь акумуляторі. Наразі все ще на початковій стадії. Целюлозна плівка, яку протестувала команда, мала спонтанну вихідну напругу 260 мілівольт у навколишньому середовищі, тоді як для мобільного телефону потрібна вихідна напруга близько 5 вольт. Але тонкість плівок означає, що їх можна складати, щоб масштабувати пристрої Air-gen, щоб зробити їх більш практичними.
І той факт, що вони можуть бути виготовлені з різних матеріалів, означає, що пристрої можуть бути адаптовані до середовища, де вони будуть використовуватися, кажуть дослідники.
«Ідея проста, але вона ніколи раніше не була відкрита, і вона відкриває всілякі можливості», — каже Яо. «Можна уявити комбайни, зроблені з одного виду матеріалу для тропічних лісів, а іншого — для більш посушливих регіонів».
Наступним кроком буде тестування пристроїв у різних середовищах, а також робота над їх масштабуванням. Але загальний ефект Air-gen реальний, а можливості, які він представляє, вселяють надію.
“Це дуже захоплююче”, – каже Лю. «Ми широко відкриваємо двері для збору чистої електроенергії з повітря». Дослідження опубліковано в Advanced Materials.