W ostatnich latach badania w dziedzinie energii odnawialnej poczyniły ogromne postępy w ciągłym poszukiwaniu nowych źródeł energii. Jedną z takich innowacji, która zaczęła budzić duże zainteresowanie, jest higroelektryczność, rodzaj energii wytwarzanej z wilgoć w powietrzu. Koncepcja ta, wywodząca się ze zdolności niektórych materiałów do generowania ładunku elektrycznego w odpowiedzi na zmiany wilgotności, jest w trakcie opracowywania i może zrewolucjonizować sposób, w jaki pozyskujemy energię.
Co to jest higroelektryczność?
La higroelektrycznośćComo también conocida energia higroelektryczna, to innowacyjna metoda wytwarzania energii elektrycznej poprzez wykorzystanie wilgotności otoczenia. W przeciwieństwie do innych odnawialnych źródeł energii, takich jak energia słoneczna czy wiatrowa, nie zależy ona od konkretnych czynników klimatycznych, takich jak bezpośrednie światło słoneczne czy wiatr. Kluczem do tego zjawiska są materiały higroskopijne, ponieważ są one w stanie absorbować cząsteczki wody występujące w środowisku i generować różnicę potencjałów, która wytwarza energię elektryczną.
Postęp ten, który zrodził się w wyniku pionierskich badań na uniwersytetach takich jak Massachusetts (UMass) i Campinas (Brazylia), otworzył nowe możliwości w dziedzinie energii odnawialnych. Wykazano, że niektóre materiały, np tlenek grafenu (GO) o los nanodruty białkowe, może generować ładunek elektryczny w kontakcie z wilgocią.
W przypadku tlenku grafenu cząsteczki wody przylegające do jego powierzchni tworzą różnicę potencjałów, która po podłączeniu do obwodu zewnętrznego umożliwia wytwarzanie prądu elektrycznego. Było to kluczowe odkrycie, ponieważ sądzono, że materiały te wymagają światła słonecznego do wytworzenia energii elektrycznej. Higroelektryczność nie ma tych ograniczeń meteorologicznychco czyni go bardzo obiecującym rozwiązaniem na przyszłość.
Jak działa higroelektryczność?
Proces pozwalający wygenerować prąd z wilgoci opiera się na oddziaływaniu materiałów higroskopijnych z cząsteczkami wody w otoczeniu. Materiały te, jak wspomniano wcześniej, mają taką możliwość wchłaniać wodę i wygenerować różnica obciążenia, W Projekt CATCHER, finansowany przez Unię Europejską, wykazał, że woda znajdująca się w atmosferze może gromadzić ładunki elektryczne po kontakcie z cząsteczkami pyłu znajdującymi się również w powietrzu. Oddziaływanie tych cząstek z kropelkami wilgoci generuje niewielką różnicę potencjałów, która, jeśli jest wystarczająco duża, pozwala na uzyskanie użytecznego prądu elektrycznego.
Główne materiały
Jednymi z najczęściej wykorzystywanych materiałów do tego rodzaju energii są nanodruty białkowe wyrosłe z Geobacter sulphurreducens, bakteria zdolna do przenoszenia elektronów w kontakcie z wilgocią. Urządzenie gen. powietrza opracowany przez UMass Amherst działa poprzez połączenie tych nanodrutów z maleńkimi elektrodami w celu wytworzenia energii elektrycznej z powietrza.
Innym obiecującym przykładem jest użycie tlenek grafenu (GO), materiału, który wykazał dużą zdolność do generowania ładunków elektrycznych. Kiedy cząsteczki wody z atmosfery przylegają do powierzchni GO, pojawia się różnica ładunków, która powoduje, że elektrony przepływają w kierunku cząsteczek wody, wytwarzając prąd elektryczny.
Elektrody i nanopory
Dyspozycja elektrody Odgrywa również kluczową rolę w poprawie efektywności higroelektryczności. W rzeczywistości używają metali przewodzących, takich jak Platyna, złoto o Srebrny w celu poprawy efektywności wychwytywania energii elektrycznej.
Ponadto struktura materiału ma również bezpośredni wpływ na jego zdolność do wytwarzania energii. Najnowsze badania wykazały, że tworząc nanopory W tych materiałach (tj. maleńkich perforacjach mniejszych niż 100 nanometrów) można zwiększyć ilość gromadzonej wilgoci, a tym samym ilość wytwarzanej energii.
Przyszłe zastosowania higroelektryczności
Choć technologia jest jeszcze w fazie rozwoju, jej potencjał jest bardzo duży. W perspektywie krótkoterminowej badane są już zastosowania do zasilania małe urządzenia takie jak inteligentne zegarki, czujniki medyczne i urządzenia IoT. Systemy te idealnie nadają się do higroelektryczności, ponieważ wymagają bardzo mało energii i w wielu przypadkach są stosowane w miejscach, w których zawsze występuje wilgoć, takich jak wnętrza domów lub budynków.
W dalszej przyszłości można rozważyć zastosowania na dużą skalę. Badania takie jak Projekt HUNTER Koncentrują się na opracowywaniu materiałów i urządzeń, które mogą przekształcać energię wilgoci w znacznie większe ilości. Na przykład integracja tych urządzeń w panele słoneczne do pracy w nocy, gdy energia słoneczna nie jest dostępna.
W miejscach o dużej wilgotności, takich jak środowisko tropikalne, należy je stosować kolektory higroelektryczne Można je instalować w domach, aby generować ciągłe źródło energii przyjaznej dla środowiska. Co więcej, jego dostępność 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, przewyższa nieciągłość innych źródeł odnawialnych, takich jak energia słoneczna i energia wiatrowa.
Aktualne badania i wyzwania
Jednym z aktualnych wyzwań w rozwoju technologii higroelektryczności jest skalowalność. Ilość energii wytwarzanej przez pojedyncze urządzenie jest stosunkowo niewielka, dlatego badacze szukają sposobów łączenia wielu jednostek lub ulepszania materiałów w celu zwiększenia generowanej mocy.
El Projekt łapacza pracuje nad prototypowym panelem o powierzchni 1 metra kwadratowego i mogącym wytworzyć do 20 W/m2. Chociaż nie wystarczy to na zaopatrzenie całego gospodarstwa domowego, jest to duży krok w kierunku rentowności komercyjnej. W dłuższej perspektywie połączenie tej technologii z innymi formami wytwarzania energii może doprowadzić do: bardziej zróżnicowana i zrównoważona infrastruktura energetyczna.
Wybór materiałów pozostaje ważnym aspektem. Nanomateriały są drogie i nie osiągnęły jeszcze skalowalności przemysłowej niezbędnej do komercjalizacji na dużą skalę. Jednakże postęp w nanotechnologii w dalszym ciągu otwiera drzwi do opracowywania bardziej ekonomicznych i wydajnych urządzeń.
Zainteresowanie hydroelektryką stale rośnie, a inwestycje ze strony organizacji takich jak Unia Europejska w projektach takich jak CATCHER wskazuje, że pokłada się ogromne nadzieje w tej powstającej technologii.
Higroelektryczność jest wciąż na wczesnym etapie rozwoju, ale zapowiada się, że będzie jedną z kluczowych technologii w zakresie energii odnawialnych. W miarę ciągłego udoskonalania materiałów i technik przez badaczy możemy wkrótce odkryć praktyczne zastosowania, które mogą zmienić sposób, w jaki uzyskujemy i wykorzystujemy energię.