Naukowcy z Hamburg University of Technology (TUHH) i Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY we współpracy z ośrodkami z Hiszpanii, Włoch, Polski i Łotwy opracowali nowy sposób zamiany energii mechanicznej na elektryczną. W badaniu opublikowanym w czasopiśmie Nano Energy pokazali, że wystarczy wykorzystać wodę zamkniętą w maleńkich porach krzemu. Kiedy ciecz jest cyklicznie wtłaczana i wypychana pod ciśnieniem z tych mikroskopijnych kanalików, powstaje prąd elektryczny.
Czytaj też: Rozciągliwa do 850% i produkująca prąd. Chińscy naukowcy wymyślili coś niesamowitego
Zjawisko opiera się na dobrze znanej zasadzie elektryczności statycznej. Tak samo, jak ładunek gromadzi się na naszym ciele, gdy chodzimy po dywanie, a następnie rozładowuje przy dotknięciu metalowej klamki, tutaj woda i krzem wymieniają między sobą elektrony. Ten “efekt tarcia” w nanoskali można jednak kontrolować i przekształcić w źródło energii.
Nanoporowaty krzem jako miniaturowy generator prądu
Zbudowane przez badaczy urządzenie nosi nazwę IE-TENG (Intrusion-Extrusion Triboelectric Nanogenerator). Działa w prosty, ale niezwykle skuteczny sposób: ciśnienie wpycha wodę w nanometrowe pory krzemu, a gdy ciśnienie spada, woda się z nich wydostaje. Za każdym razem, gdy woda porusza się w tę i z powrotem, na powierzchni powstaje różnica ładunków elektrycznych.
Czytaj też: Przełomowe odkrycie w fizyce podważa wszystko, co wiemy o przepływie prądu
Według autorów badania uzyskana sprawność konwersji energii sięga 9 proc., co jest jednym z najlepszych wyników w historii tego typu urządzeń działających na granicy ciało stałe-ciecz.
Prof. Patrick Huber, rzecznik klastra doskonałości BlueMat – Water-Driven Materials przy TU Hamburg i DESY, mówi:
Nawet czysta woda, jeśli zostanie zamknięta w nanoskali, może stać się źródłem energii.
Kluczem do sukcesu okazała się odpowiednia architektura materiału. Zespół z TU Hamburg opracował specjalne struktury krzemowe, które są jednocześnie przewodzące, porowate i hydrofobowe – czyli odpychają wodę. Dzięki temu naukowcy mogą precyzyjnie kontrolować ruch cieczy wewnątrz porów i utrzymać stabilność całego procesu. W praktyce oznacza to, że technologia może działać w różnych rozmiarach – od mikroskopijnych czujników po większe urządzenia. Ponieważ opiera się na powszechnych materiałach, jest tania i przyjazna środowisku.
Nowy rodzaj generatora najlepiej sprawdza się tam, gdzie występują ciągłe drgania i zmiany ciśnienia – np. w amortyzatorach samochodowych, gdzie ruch zawieszenia mógłby zasilać czujniki lub układy sterujące. Naukowcy widzą też potencjał w autonomicznych czujnikach środowiskowych, w odzieży inteligentnej, która monitoruje zdrowie i aktywność, a także w robotyce dotykowej, gdzie każdy ruch czy nacisk mógłby od razu generować sygnał elektryczny.
Projekt powstał w ramach europejskiego klastra BlueMat – Water-Driven Materials, który zajmuje się badaniem, jak woda może być wykorzystywana jako aktywny element w nowych materiałach. Naukowcy wierzą, że podobne rozwiązania mogą w przyszłości zasilać całą gamę miniaturowych urządzeń – od przenośnych czujników po inteligentne systemy energetyczne, które nie potrzebują baterii.