Nanourządzenia wytwarzają energię w wyniku odparowania wody wodociągowej i morskiej

Parowanie jest naturalnym procesem tak wszechobecnym, że większość z nas uważa je za coś oczywistego. W rzeczywistości prawie połowa energii słonecznej docierającej do Ziemi powoduje parowanie. Od 2017 r. badacze pracują nad wykorzystaniem potencjału energetycznego parowania poprzez efekt hydrowoltaiczny (HV), który umożliwia gromadzenie energii elektrycznej podczas przepuszczania cieczy przez naładowaną powierzchnię nanourządzenia. Parowanie powoduje ciągły przepływ w nanokanałach wewnątrz tych urządzeń, które działają jak pasywne mechanizmy pompujące. Efekt ten jest również widoczny w maleńkich kapilarach roślin, gdzie transport wody następuje dzięki połączeniu ciśnienia kapilarnego i naturalnego parowania.

Chociaż obecnie istnieją urządzenia hydroelektryczne, bardzo niewiele jest funkcjonalnego zrozumienia warunków fizycznych i zjawisk rządzących wytwarzaniem energii wysokiego napięcia w nanoskali. To luka informacyjna, mówi Giulia Tagliabue, kierownik Laboratorium Nanonauki Technologii Energetycznej (L.Net) w College of Engineering, a doktorant Tariq Anwar chciał go obsadzić. Wykorzystali kombinację eksperymentów i modelowania wielofizycznego, aby scharakteryzować przepływy płynów, przepływy jonów i efekty elektrostatyczne wynikające z interakcji ciało stałe-ciecz, w celu ulepszenia urządzeń wysokonapięciowych.

„Dzięki naszej nowej, ściśle kontrolowanej platformie jest to pierwsze badanie mające na celu ilościowe określenie zjawisk fotowoltaicznych poprzez podkreślenie znaczenia różnych interakcji międzyfazowych. Jednak w trakcie tego procesu doszliśmy również do kluczowego ustalenia: że urządzenia fotowoltaiczne mogą działać na dużą skalę .” szeroki zakres zasolenia, co jest sprzeczne z wcześniejszym przekonaniem, że do uzyskania najlepszych wyników wymagana jest woda o wysokiej czystości” – mówi Tagliabue.

Badanie LNET ma Niedawno opublikowane W urządzeniu prasowym magazynu komórkowego.

Model detektora multifizycznego

Urządzenie badaczy stanowi pierwsze hydroelektryczne zastosowanie techniki zwanej koloidalną litografią nanosfery, która pozwoliła im stworzyć sześciokątną sieć precyzyjnie rozmieszczonych nanofilarów krzemowych. Odstępy między nanofilarami utworzyły idealne kanały do ​​odparowywania próbek cieczy i można je precyzyjnie dostroić, aby lepiej zrozumieć wpływ zamknięcia cieczy oraz obszar kontaktu ciało stałe/ciecz.

„W większości układów płynów zawierających roztwory soli liczba jonów dodatnich i ujemnych jest taka sama” – wyjaśnia Anwar. „Jednak jeśli zamkniesz płyn w nanokanale, tylko jony o polaryzacji przeciwnej do polaryzacji ładunku powierzchniowego będą pozostać.” „Oznacza to, że jeśli pozwolisz cieczy przepłynąć przez nanokanał, wygenerujesz prąd i napięcie”.

„Wynika to z naszego kluczowego odkrycia, że ​​równowagę chemiczną ładunku powierzchniowego nanourządzenia można wykorzystać do przedłużenia działania urządzeń hydroelektrycznych za pomocą salinometru” – dodaje Tagliabue. „W rzeczywistości wraz ze wzrostem stężenia jonów w cieczy wzrasta również ładunek powierzchniowy nanourządzenia. W rezultacie możemy używać większych kanałów płynowych podczas pracy z cieczami o wyższym stężeniu. Ułatwia to wytwarzanie urządzeń do użytku z wodą wodociągową lub woda morska.” „W przeciwieństwie do czystej wody”.

Woda, wszędzie woda

Ponieważ parowanie może zachodzić w sposób ciągły w szerokim zakresie temperatur i wilgotności – nawet w nocy – istnieje wiele ekscytujących potencjalnych zastosowań bardziej wydajnych urządzeń wysokiego napięcia. Naukowcy mają nadzieję zbadać tę możliwość przy wsparciu Szwajcarskiej Narodowej Fundacji Nauki Rozpocznij stypendiumktórego celem jest opracowanie „zupełnie nowego paradygmatu odzyskiwania ciepła odpadowego i wytwarzania energii odnawialnej na dużą i małą skalę”, w tym prototypu w rzeczywistych warunkach nad Jeziorem Genewskim.

A ponieważ urządzenia wysokonapięciowe teoretycznie mogą być zasilane wszędzie tam, gdzie występuje ciecz – a nawet wilgoć, np. pot – można je również wykorzystać do zasilania czujników podłączonych urządzeń, od inteligentnych telewizorów po urządzenia do noszenia związane ze zdrowiem i fitnessem. Dzięki specjalistycznej wiedzy LNET w zakresie systemów gromadzenia i magazynowania energii fotowoltaicznej Tagliabue pragnie również dowiedzieć się, w jaki sposób wpływ światła i fototermii można wykorzystać do kontrolowania ładunków powierzchniowych i szybkości parowania w systemach wysokiego napięcia.

Wreszcie badacze dostrzegają także istotne synergie między systemami wysokiego napięcia a wytwarzaniem czystej wody.

„Naturalne parowanie wykorzystuje się do napędzania procesów odsalania, podczas których świeżą wodę można pozyskać ze słonej wody poprzez skraplanie pary wytwarzanej przez powierzchnię parowania. Teraz można sobie wyobrazić użycie systemu wysokiego napięcia do produkcji czystej wody i jednoczesnego wykorzystania energii elektrycznej czasu” – wyjaśnia Anwar.