Обычные обои служат для украшения стен. Новая разработка исследователей из Бингемтонского университета (Binghamton University) предлагает использовать их куда практичнее: превращать влажность воздуха в электричество.
Ученые создали бумажный материал, способный поглощать водяной пар из помещения и вырабатывать при этом небольшой электрический ток. Причем для работы системе не нужны ни солнечный свет, ни ветер — достаточно влаги, которая и так постоянно присутствует в воздухе.
Авторы считают, что технология в перспективе может одновременно решать две задачи: снабжать энергией маломощную электронику и немного снижать влажность в помещении. Особенно интересным такое решение может оказаться для устройств Интернета вещей (IoT), которым требуется совсем немного электричества.
Как работают энергетические обои
В основе технологии лежат так называемые влагоэлектрические генераторы (moisture-electric generators, MEG). Эти миниатюрные устройства извлекают водяной пар непосредственно из окружающего воздуха.
Когда влага попадает внутрь материала, происходит перераспределение ионов. В результате между разными участками структуры возникает разность концентраций — своеобразный химический градиент. Он, в свою очередь, создает разность электрических потенциалов между двумя сторонами материала.
Иными словами, вода здесь выступает не просто как вещество, которое нужно удалить из воздуха. Ее движение внутри специальной структуры непосредственно используется для получения электрической энергии. При этом солнечный свет для процесса не требуется.
Подобные технологии уже исследовались и раньше, однако многие разработки ориентировались прежде всего на уличные условия. А там влажность постоянно меняется: дождь способен резко увеличить количество воды, а сухая жаркая погода — наоборот, практически лишить генератор исходного материала.
В помещении условия гораздо стабильнее. Обычно относительная влажность в жилых помещениях находится примерно в диапазоне от 30 до 60%. Более того, сами люди постоянно добавляют влагу в воздух: мы дышим, принимаем душ, готовим пищу. Получается своеобразный возобновляемый источник сырья прямо внутри дома.
Почему используются обычная бумага и глицерин
Чтобы сделать устройство дешевым и пригодным для массового производства, исследователи использовали концепцию papertronics — создания электронных схем непосредственно на бумаге.
Конструкция напоминает миниатюрную печатную плату, только вместо традиционной подложки используется бумажный материал.
По краям листа нанесен глицерин, который активно поглощает молекулы воды из окружающего воздуха. В центральной части располагается приподнятый слой полимера со специальным рисунком из воска.
Эта структура контролирует испарение воды и задает определенное направление ее движения через лист. Благодаря этому влажность не просто хаотично накапливается в материале, а поддерживается постоянный поток влаги, необходимый для непрерывной генерации электричества.
Таким образом, перед нами не обычный кусок влагопоглощающей бумаги, а своеобразная микроскопическая энергетическая система, в которой одновременно происходят поглощение воды, ее перемещение и генерация электрического напряжения.
1596 элементов превратили лист в генератор
Чтобы проверить, насколько технология пригодна для практического применения, ученые изготовили полноразмерный лист «энергетических обоев», состоящий из 1596 соединенных между собой элементов.
Один элемент при относительной влажности 80% генерировал около 0,34 В, а плотность мощности составляла примерно 2,2 мкВт/см². Этого оказалось достаточно, чтобы собранная система непрерывно питала беспроводную клавиатуру без батареек.
Разумеется, речь идет о микроваттах — огромные объемы энергии такая технология пока производить не способна. Питать холодильник, телевизор или компьютер подобными обоями не получится.
Зато для современной электроники существует целый класс устройств, которым требуется совсем немного энергии. Это датчики температуры, термостаты, мониторы микроклимата и другие устройства Интернета вещей.
Именно здесь необычные обои могут оказаться наиболее полезными: вместо регулярной замены батареек маломощные датчики потенциально смогут получать энергию непосредственно от окружающей среды.
Обои одновременно осушают воздух
У разработки есть еще одна интересная особенность. Исследователи обнаружили, что энергетический лист способен выполнять функцию пассивного осушителя воздуха.
В экспериментальном помещении установка снизила относительную влажность с 38 до 32%. То есть материал не только извлекал из воздуха влагу для производства электричества, но и действительно влиял на микроклимат помещения.
Это может оказаться особенно интересным с точки зрения энергопотребления зданий. Кондиционеры и системы вентиляции расходуют заметное количество энергии на удаление избыточной влаги. Если часть этой работы сможет выполнять покрытие стен, одновременно производя пусть небольшое, но полезное количество электричества, получится необычная комбинация энергосбережения и локальной генерации.
Профессор Сокхин «Шон» Чой (Seokheun “Sean” Choi) из Колледжа инженерных и прикладных наук имени Томаса Дж. Уотсона Бингемтонского университета отмечает, что сегодня на удаление влаги из воздуха с помощью систем HVAC затрачивается значительное количество энергии. По замыслу исследователей, подобная технология могла бы одновременно контролировать влажность и вырабатывать электричество.
Электростанция на стене?
До полноценной «энергетической стены» пока далеко. Небольшая мощность — главное ограничение нынешнего прототипа.
Однако для маломощной электроники количество доступной энергии может оказаться вполне достаточным. Представьте комнату, в которой десятки датчиков постоянно контролируют температуру, влажность и качество воздуха. Сегодня многие из них используют батарейки, которые приходится периодически менять.
Если же поверхность стены сама станет источником микроскопического количества энергии, такие устройства потенциально смогут работать значительно дольше без обслуживания.
Еще один плюс — отсутствие необходимости в солнечном освещении. В отличие от фотоэлектрических элементов, подобные генераторы могут работать днем и ночью, пока в воздухе остается водяной пар.
Исследование опубликовано в журнале Advanced Energy.
Что дальше
Пока энергетические обои остаются лабораторным прототипом, поэтому говорить о скором появлении рулонов такого материала в строительных магазинах рано. Необходимо проверить, насколько стабильно система работает в реальных домах, как долго сохраняет свои характеристики и насколько экономичным окажется ее массовое производство.
Тем не менее сама концепция интересна именно своей простотой. Стена, которая одновременно регулирует влажность и обеспечивает электричеством расположенные рядом датчики, может стать частью будущих «умных» домов.
И это довольно любопытный поворот в развитии бытовой энергетики. Солнечная панель использует свет, ветрогенератор — движение воздуха, а эта технология пытается извлечь полезную энергию из того, что обычно вообще не воспринимается как источник энергии, — обычной влажности в комнате.
