Солнечный свет и ветер являются наиболее быстрорастущими источниками энергии на планете. Теперь представьте, что вы черпаете энергию из третьего, еще более обильного зеленого источника: влаги в воздухе. Это идея Цзюнь Яо, физика-прикладника из Массачусетского университета в Амхерсте, который разработал пористую пленку, которая преобразует заряды, естественным образом присутствующие в водяном паре, в энергию.
Чтобы внести ясность: пленки Яо размером с почтовую марку генерируют лишь крошечный ток. Но Яо только начинает. И он не одинок. Команды по всему миру создают множество новых «гидроэлектрических» устройств, способных преобразовывать энергию, присущую испарению, осадкам и небольшим потокам воды, в полезную энергию.
«Это действительно растущая область», — говорит Яо. Но до сих пор эти устройства в основном представляли собой разовые лабораторные демонстрации. «В настоящее время гидроэлектрическая энергия не может производить большое количество энергии», — говорит Юаньюань Ли из Королевского технологического института KTH в Швеции, который разработал гидроэлектрическую систему размером с карамель, которая может питать цифровые часы. Чтобы генерировать обильную энергию, исследователям придется увеличить устройства до модулей размером в квадратный метр, которые можно будет развернуть в огромных массивах, таких как солнечные фермы.
Но у гидроэлектрических систем есть преимущество: в отличие от ветра и солнечного света, которые непостоянны, влага присутствует везде, что обещает непрерывную выработку энергии. «Мы обязательно должны изучить этот способ производства электроэнергии», — говорит Стефан Вебер, физик, изучающий гидроэлектрику в Университете Штутгарта.
Конечно, на протяжении тысячелетий люди использовали текущую воду в качестве источника энергии, от водяных колес в древнем Китае и Греции до современных плотин гидроэлектростанций. Гидроэлектричество, напротив, генерирует электричество на основе взаимодействия воды с материалами. Десять лет назад исследователи заметили, что капли, ударяясь о заряженные поверхности или перетекая через них, могут создавать сверхкороткие всплески напряжения, возникающие либо из-за их кинетической энергии, либо из-за движения ионов, которые они несут. Хотя эти всплески были небольшими, совсем недавно группа Вебера показала, что дождь капель может генерировать колоссальные 1200 вольт, хотя и всего лишь на мгновение, ровно настолько, чтобы заставить ряды светодиодов мерцать.
Испарение также может генерировать энергию, как это продемонстрировал Цзуанкай Ван на игрушке. В прошлом месяце в журнале Device Ван, инженер-механик из Гонконгского политехнического университета, и его коллеги описали, как они заставили вращающуюся «пьющую птицу» работать в качестве генератора экологически чистой энергии. Изобретенная десятилетия назад в Китае игрушка начинает колебаться, когда ее впитывающий «клюв» погружают в воду. После того, как он возвращается в вертикальное положение, вода испаряется и охлаждает его голову. Возникающее в результате падение давления вытягивает другую жидкость из ее основания в резервуар в голове, заставляя птицу наклониться и снова опустить клюв. Затем эта жидкость стекает обратно к основанию, опрокидывая птицу в вертикальное положение, пока испарение воды не вызовет следующий цикл. Когда птица колеблется, «трибоэлектрические» генераторы преобразуют ее движение в электричество.
«Это очень умный способ преобразования энергии», — говорит Яо. Группа Вана в настоящее время строит массивы генераторов для питья птиц, которые могут работать вместе, обеспечивая непрерывную электроэнергию, пока питьевая вода для птиц пополняется.
Воздушный генератор Яо также нацелен на непрерывную подачу электроэнергии. Это устройство, о котором сообщалось в прошлом году, состоит из тонкого листа материала, такого как шелковые волокна или проводящий полимер, с крошечными порами диаметром менее 100 нанометров. Лист расположен поверх стеклянной подложки, которая герметизирует его основание. Молекулы воды в воздухе естественным образом содержат отрицательно заряженные ионы. Когда они ударяются о верхнюю часть нанопор и выделяют ионы, они создают градиент электрических зарядов, которые затем улавливаются электродами, расположенными над и под пленками.
Как и другие гидроэлектрические устройства, устройство Яо производит только микроватты мощности на квадратный сантиметр. По его словам, одним из способов масштабирования может стать объединение нескольких слоев материалов с воздушными промежутками между ними, превращая его генератор в 3D-устройство, которое может непрерывно захватывать электричество из воздуха. «Водяной пар в воздухе — это огромный резервуар энергии», — говорит Яо.
Другая гидроэлектрическая система, которую легче масштабировать, опирается на древесину, природное чудо наноинженерии, состоящее из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, которые в совокупности образуют множество крошечных вертикальных каналов, транспортирующих воду от земли к листьям. Исследователи уже много лет знают, что они могут использовать структуру древесины для выработки небольшого количества электричества, просто поместив кусок дерева в миску с водой так, чтобы верхняя поверхность была открыта воздуху. Испарение сверху вытягивает больше воды и ионов из нее через каналы, создавая небольшой, но постоянный ток.
Недавно команда Ли сообщила, что она может увеличить выходной ток из кусочка пробкового дерева в 10 раз, предварительно обработав его гидроксидом натрия или щелочью. Химическое вещество разрушает некоторые стенки каналов, обнажая заряженные химические группы внутри древесины. А в прошлом году команда Ли показала, что древесина, наполненная наночастицами оксида железа, может генерировать 52 микроватта энергии на квадратный метр, что в 165 раз больше, чем натуральное дерево, и этого достаточно для шести кусков площадью 1,5 квадратных сантиметра для питания цифрового таймера.
Это не что иное, как 200–300 Вт на квадратный метр, генерируемые кремниевыми солнечными элементами. Но эта сфера только начинается. Ван говорит: «Люди думают о всевозможных новых способах использования энергии, которая нас окружает».
