Ερευνητές ανέπτυξαν ένα νέο σύστημα παραγωγής ενέργειας που χρησιμοποιεί την τριβή που παράγεται καθώς το νερό κινείται μέσα και έξω από νανοπόρους, σε μονόλιθους πυριτίου, που είναι σχεδιασμένοι με ακρίβεια για να παράγουν μια εκπληκτική ποσότητα αξιοποιήσιμης ηλεκτρικής ενέργειας.
Οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει στο παρελθόν εξαιρετικά μικρές γεννήτριες ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιούν μηχανική ή τριβή, οι οποίες ονομάζονται τριβοηλεκτρικές νανογεννήτριες (Triboelectric Nanogenerators, TENGs). Πρόκειται για συσκευές που παράγουν ενέργεια απ’ τις σταγόνες της βροχή και τον ανθρώπινο ιδρώτα. Ωστόσο, οι συσκευές αυτές συχνά μετατρέπουν μόνο ένα πολύ μικρό ποσοστό της μηχανικής ενέργειας που απαιτείται για να λειτουργήσουν, περιορίζοντας την αποδοτικότητά τους και καθυστερώντας ή ακόμα εμποδίζοντας την υιοθέτησή τους πέρα από το εργαστηριακό περιβάλλον.
Η ομάδα από το ερευνητικό κέντρο Deutsches Elektronen-Synchrotron, DESY και το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Αμβούργου (Hamburg University of Technology, TUHH), που βρίσκεται πίσω από τη νανογεννήτρια (TENG) που τροφοδοτείται με νερό, δήλωσε ότι οι μονόλιθοι από πυρίτιο, σχεδιασμένοι με νανοπόρους ακριβείας, παρουσίασαν ποσοστό μετατροπής ενέργειας 9%, το οποίο “κατατάσσεται μεταξύ των υψηλότερων που έχουν καταγραφεί ποτέ για νανογεννήτριες στερεού-υγρού.
«Ακόμη και το καθαρό νερό, όταν περιορίζεται σε νανοκλίμακα, μπορεί να επιτρέψει τη μετατροπή ενέργειας», εξήγησε ο Patrick Huber, εκπρόσωπος του BlueMat – Water-Driven Materials Excellence Cluster στο Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας του Αμβούργου (TUHH) και στο DESY. Σε μια ανακοίνωση για την εφεύρεση της συσκευής, οι ερευνητές εξηγούν ότι η TENG λειτουργεί συλλέγοντας την ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται στη διεπιφάνεια μεταξύ του υλικού και του υγρού. Συγκεκριμένα, αυτό συμβαίνει όταν το νερό εξαναγκάζεται υπό πίεση να εισέλθει και να εξέλθει από τους πόρους στην επιφάνεια των μονολιθικών στοιχείων πυριτίου.
Πώς παράγεται η ενέργεια
Οι ερευνητές, που περιγράφουν τη συσκευή ως Τριβοηλεκτρική Νανογεννήτρια Εισόδου–Εξόδου (Intrusion–Extrusion Triboelectric Nanogenerator, IE-TENG), συνέκριναν την ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από την τριβή μεταξύ του νερού και των νανοπόρων του πυριτίου με εκείνη που δημιουργείται όταν κάποιος περπατά πάνω σε χαλί PVC.
«Τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται από ένα σώμα σε άλλο, συσσωρεύοντας ηλεκτρικό φορτίο που εκφορτίζεται ξαφνικά όταν αγγίξει ένα τρίτο σώμα», εξηγούν. «Για παράδειγμα, όταν αγγίζεις μια χειρολαβή πόρτας, το φορτίο ρέει μακριά και νιώθεις ένα μικρό ηλεκτρικό σοκ.»
Ένας απ’ τους συγγραφείς της μελέτης, ο Luis Bartolomé από το CIC energiGUNE σημείωσε ότι, εκτός από την αποδοτικότητα μετατροπής ενέργειας, ένα από τα κύρια οφέλη της προσέγγισης της ομάδας είναι η αναπαραγωγιμότητά της. Ο ερευνητής εξήγησε ότι αυτό οφείλεται στην λειτουργία του συστήματός τους χωρίς σπάνια ή εξωτικά υλικά, «αλλά απλώς χρησιμοποιώντας τον πιο άφθονο ημιαγωγό στη γη, το πυρίτιο, και το πιο άφθονο υγρό, το νερό».
O Manuel Brinker απ’ το τεχνολογικό πανεπιστήμιο του Αμβούργου, είπε πως, ένα «καθοριστικό βήμα», ήταν η ακριβής ανάπτυξη των ειδικά σχεδιασμένων δομών πυριτίου που είναι αγώγιμες, νανοπορώδεις, αλλά και υδρόφοβες.
«Αυτή η αρχιτεκτονική μας επιτρέπει να ελέγχουμε την κίνηση του νερού μέσα στους πόρους, κάνοντας τη διαδικασία μετατροπής ενέργειας τόσο σταθερή όσο και κλιμακούμενη», εξήγησε ο Brinker.
Ενώ ορισμένα υλικά και δομές μπορεί να προσφέρουν μία ή δύο από αυτές τις ιδιότητες, η εύρεση ενός σχεδιασμού υλικού που να έχει και τις τρεις, να είναι οικονομικός, αποδοτικός και επεκτάσιμος ήταν δύσκολο να βρεθεί. Παρ’ όλα αυτά, οι ερευνητές κατάφεραν να το επιτύχουν με τον τελικό τους σχεδιασμό.
Οι συγγραφείς προτείνουν ότι συσκευές βασισμένες στον σχεδιασμό τους θα μπορούσαν να τροφοδοτούν αποτελεσματικά συστήματα ανίχνευσης νερού, «έξυπνα» ρούχα που παρακολουθούν βιομετρικά δεδομένα και προηγμένους αισθητήρες αθλητικής απόδοσης. Επιπλέον, δηλώνουν ότι η συσκευή τους θα μπορούσε να προσαρμοστεί και στην απτική ρομποτική, «όπου η αφή ή η κίνηση παράγει άμεσα ηλεκτρικό σήμα».
«Τα υλικά που κινούνται από νερό σηματοδοτούν την αρχή μιας νέας γενιάς αυτοσυντηρούμενων τεχνολογιών», πρόσθεσαν οι κύριοι συγγραφείς Simone Meloni από το Πανεπιστήμιο της Φερράρα και Yaroslav Grosu από το CIC energiGUNE.
H μελέτη τους δημοσιεύτηκε στην επιθεώρηση Nano Energy.
