Nanorakenteilla energiaa haihtuvasta vedestä

EPFL:n tutkijat ovat havainneet, että hydrosähköistä (hydrovoltaic, HV) vaikutusta hyödyntävät nanomittakaavan laitteet voivat kerätä sähköä haihduttamalla nesteitä, joiden ionipitoisuus on korkeampi kuin puhdistettu vesi, mikä tuo esiin valtavan hyödyntämättömän energiapotentiaalin.

Haihtuminen on luonnollinen prosessi, joka on läsnä kaikkialla. Itse asiassa noin puolet maan saavuttavasta aurinkoenergiasta ohjaa haihtumisprosesseja.

Vuodesta 2017 lähtien tutkijat ovat työskennelleet hyödyntääkseen haihtumisen energiapotentiaalia hydrosähköilmiön kautta, mikä mahdollistaa sähkön keräämisen, kun nestettä johdetaan nanomittakaavan laitteen varatun pinnan yli.

Haihdutus saa aikaan jatkuvan virtauksen näiden laitteiden sisällä oleviin nanokanaviin, jotka toimivat passiivisina pumppausmekanismeina. Tämä vaikutus näkyy myös kasvien mikrokapillaareissa, joissa vesi kulkeutuu kapillaaripaineen ja luonnollisen haihtumisen yhdistelmän ansiosta.

Vaikka hydrosähkölaitteita on tällä hetkellä olemassa, on hyvin vähän toiminnallista ymmärrystä olosuhteista ja fysikaalisista ilmiöistä, jotka ohjaavat HV-energian tuotantoa nanomittakaavassa. Se on tietämysvaje, jonka tutkijat Giulia Tagliabue ja Tarique Anwar halusivat täyttää.

He hyödynsivät kokeiden ja monifysikaalisen mallinnuksen yhdistelmää nestevirtojen, ionivirtojen sekä kiinteän ja nesteen vuorovaikutuksista johtuvien sähköstaattisten vaikutusten karakterisoimiseksi tavoitteenaan optimoida HV-laitteita.

"Uuden, erittäin hallitun alustamme ansiosta tämä on ensimmäinen tutkimus, joka kvantifioi nämä hydrosähköilmiöt korostamalla erilaisten rajapintojen vuorovaikutusten merkitystä. Mutta prosessin aikana teimme myös merkittävän havainnon: hydroähkölaitteet voivat toimia useilla eri suolapitoisuuksilla, mikä on ristiriidassa aiemman ymmärryksen kanssa, että parhaan suorituskyvyn saavuttamiseksi vaadittiin erittäin puhdistettua vettä”, Tagliabue sanoo.

Tutkijoiden mukaan uuden tietämyksen mahdollistamia HV-laitteita voitaisiin teoriassa käyttää kaikkialla, missä on nestettä – tai jopa kosteutta, kuten hikeä – niitä voitaisiin käyttää myös kaikenlaisten antureiden virtalähteenä. Tagliabue haluaa myös nähdä, kuinka valo- ja fototermisiä vaikutuksia voitaisiin käyttää pintavarausten ja haihtumisnopeuksien hallintaan HV-järjestelmissä.

Lopuksi tutkijat näkevät myös tärkeitä synergioita HV-järjestelmien ja puhtaan veden tuotannon välillä.

”Suolanpoistoprosesseja ohjataan luonnollista haihdutusta, sillä suolaisesta vedestä saadaan talteen makeaa vettä kondensoimalla haihdutuspinnan tuottamaa höyryä. Nyt voisi kuvitella käyttäväsi HV-järjestelmää sekä tuottamaan puhdasta vettä että keräämään sähköä samaan aikaan”, Anwar selittää.

Aiheesta aiemmin:

Sähköä ohuesta ilmasta 24/7

Nestepisaroilla jopa viiden voltin jännite