Каждый, кто хоть раз наблюдал за молниями, знает, какой колоссальный объем энергии скрыт в окружающей нас атмосфере. Новое исследование показывает, что часть этой энергии можно извлечь. Все, что для этого нужно - нанопленка с большим количеством дырочек. Причем изготовить такую пленку можно из самых разных материалов.
Электричество из воздуха
В 2020 году ученые из Университета Массачусетса в Амхерсте экспериментировали с выращиванием нанопроводов из бактерий, известных как Geobacter sulfurreducens. Тогда ученые обнаружили, что эти тончайшие провода могут непрерывно «высасывать» электричество из воздуха, контактируя даже с небольшим количеством влаги. Система работала за счет химических реакций в самих нанопроводах и пленке, которая их поддерживала.
Теперь, основываясь на этом исследовании, ученые пошли дальше. По их словам, тип нанопровода, участвующего в процессе, не имеет никакой значения. По настоящему важный фактор - размер пор в нанопленке.
«После экспериментов с бактериями мы поняли, что способность вырабатывать электроэнергию из воздуха - то, что мы назвали “эффектом Air-gen” - является универсальной. То есть, буквально любой материал может собирать электроэнергию из воздуха, пока он обладает определенными свойствами», говорит Дзюн Яо, автор исследования и доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Университете Массачусетса в Амхерсте.
Особое свойство
Свойство, о котором говорит Яо, имеет отношение к так называемой «средней длине свободного пробега». Так называется расстояние, на которое может перемещаться одна молекула любого вещества, прежде чем попасть в другую молекулу. Для воды, которая содержится в воздухе, это расстояние составляет 100 нанометров (нм) - менее тысячной доли от ширины человеческого волоса.
Для нового эксперимента ученые взяли два слоя нанопленки. Верхний слой покрыт отверстиями диаметром менее 100 нм. Он работает как сито, которое удерживает молекулы воды на поверхности, пока они пытаются протиснуться через поры. Когда молекулы собираются на верхней пленке, они генерируют естественный электрический заряд, который больше, чем заряд на нижнем слое пленки. Дисбаланс между двумя слоями создает электрический ток. Аналогичным образом в грозовых облаках создаются молнии.
«Воздух содержит огромное количество электричества. Облако представляет собой не что иное, как массу капель воды. Каждая из этих капель содержит заряд, и когда создаются правильные условия, облако может произвести молнию. Но мы не знаем, как получить электричество из молнии. Потому мы создали небольшое рукотворное облако, которое производит электроэнергию предсказуемо и непрерывно», - говорит Яо.
Почему это важно?
Поскольку эффект выработки электроэнергии основан исключительно на размере пор, система может быть сконструирована из различных материалов. «Сборщик энергии может быть сконструирован буквально из любых материалов, предлагая широкий выбор экономичных и пригодных для окружающей среды изделий. Можно представить себе сборщики, изготовленные из одного вида материала для среды тропических лесов, и другого для более засушливых регионов», - говорит Яо.
Хотя система сбора энергии полагается на влагу в воздухе, исследования показывают, что ей не нужна высокая влажность. Генератор может работать даже работать в условиях пустыни.
Кроме того, важна компактность устройства. Поскольку нанопленка имеет очень малую толщину, то толстая стопка такого материала сможет вырабатывать киловатты энергии.
Открытие поражает своей простотой. Оно может стать значительным шагом вперед в сфере зеленой энергетики.
Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.
