Nanolaite tuottaa jatkuvaa sähköä haihtutuksesta

EPFL:ssä kehitetty nanolaite tuottaa itsenäisen, vakaan virran suolaveden haihduttamisesta käyttämällä lämpöä ja valoa ionien ja elektronien liikkeiden ohjailemiseen.

Vuonna 2024 EPFL:n teknillisen tiedekunnan energiateknologian nanotieteiden laboratorion (LNET) tutkijat raportoivat alustasta, jolla voidaan tutkia hydrovoltaista (HV) ilmiötä – ilmiötä, joka mahdollistaa sähkön keräämisen, kun nestettä johdetaan nanolaitteen varatun pinnan yli.

Heidän alustansa koostui kuusikulmaisesta piinanopillarien verkosta, joiden väliin muodostui kanavia nestenäytteiden haihtumista varten.

Nyt Giulia Tagliabuen johtama LNET-tiimi on kehittänyt tästä alustasta hydrovoltaisen järjestelmän, jonka teho vastaa tai ylittää vastaavien teknologioiden tehon – ja sillä on merkittävä etu.

Sen sijaan, että EPFL-järjestelmä luottaisi vain lämpöön ja valoon haihtumisen tehostamiseksi, se tuottaa virtaa valjastamalla lämpöä ja valoa ionien liikkeen ohjaamiseen haihtuvassa suolavedessä ja elektronien virtauksen ohjaamiseen piinanorakenteisessa laitteessa.

”Lämmön ja valon epätasapaino vaikuttaa aina hydrovoltaiseen laitteeseen, mutta olemme löytäneet, miten näitä voidaan hyödyntää”, selittää LNET:n tutkija Tarique Anwar.

Kolmen erillisen kerroksen ansiosta, jotka on omistettu haihtumiselle, ionien kuljetukselle ja sähkövarauksen keräämiselle, nanolaitteen erillistetty-irrotettu rakenne mahdollistaa tutkijoiden tarkkailla ja hienosäätää prosessin jokaista vaihetta.

Yleensä, kun ajattelemme lämmön ja valon vaikutuksia haihtumiseen, ymmärrämme, että lämpöenergia nopeuttaa veden muuttumista höyryksi. Aiemmat tutkimukset ovat keskittyneet tähän vaikutukseen HV-energian keräämisessä, mutta EPFL:n tutkijat huomasivat, että heidän havaitsemansa kiihtynyt energiantuotanto ei johtunut pelkästään haihtumisesta.

Koska heidän nanolaitteensa on valmistettu piipuolijohteesta, auringonvalon fotonit virittävät sen sisällä olevat elektronit, kun taas lämpö vahvistaa sen pinnan negatiivisia varauksia. Samaan aikaan lämmön aiheuttama haihtuminen nanolaitteen yläpuolella olevassa suolavesikerroksessa aiheuttaa ionien siirtymistä, mikä luo etäisyyksiä positiivisten ja negatiivisten varausten välille. Tämä varausten erottuminen nesteen ja kiinteän aineen rajapinnassa luo sähkökentän, joka ajaa virittyneitä elektroneja kytketyn piirin läpi ja tuottaa sähköä.

”Työmme osoittaa, että tämän pintavarausvaikutuksen ansiosta auringonvalon ja lämmön lisääminen voi viisinkertaistaa energiantuotannon. Tämä luonnollinen vaikutus on aina ollut olemassa, mutta me olemme ensimmäiset, jotka valjastavat sen”, Tagliabue sanoo.

Aiheesta aiemmin:

Nanorakenteilla energiaa haihtuvasta vedestä