Современный мир, к сожалению, наполнен глобальными проблемами, многие из которых не появились бы вовсе, если бы в прошлом были приняты те или иные меры. Одной из таких проблем является энергия, а точнее ее нехватка. Ввиду этого ведется множество исследований, нацеленных на поиски новых источников энергии. Ученые из Национального университета Сингапура разработали новую методику сбора энергии от капель воды. Как именно работает данная система, что является ее основой, и насколько много энергии она может выработать? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Заряд спонтанно разделяется на границе раздела твердое тело-жидкость. Следовательно, электрический заряд может быть получен простым протеканием воды по поверхностям для производства электроэнергии. Предыдущие исследования изучали это разделение заряда твердое тело-жидкость в различных обстоятельствах, включая потоки в канале, направленное воздействие на поверхность, разбрызгивание и потоки капель. Поскольку электричество может быть получено непосредственно текучей водой (например, из природных источников) по поверхности, это явление может потенциально привести к методу сбора зеленой и возобновляемой энергии. Однако, только незначительное количество заряда может быть получено при течении жидкости по поверхности, как обсуждалось в предыдущих исследованиях. Следовательно, это естественное явление разделения заряда на границе раздела твердое тело-жидкость ранее не считалось жизнеспособным источником генерации электроэнергии.
Изображение №1
Основная причина того, что может быть сгенерировано лишь незначительное количество электричества, заключается в том, что разделение зарядов твердое тело-жидкость является поверхностным явлением; следовательно, заряд в значительной степени ограничен только поверхностью. Когда заряд разделяется на границе твердое тело-жидкость, образуется двойной электрический слой с зарядами на поверхности и слоем противоположно заряженных свободных ионов, притягиваемых к поверхности (1a(i)). Характерное расстояние этого слоя свободных ионов от заряженной поверхности — это длина Дебая (κ−1), как описано в уравнении ниже:
где ci (число/м3) — концентрация ионных частиц i, zi — зарядовое число ионных частиц i, e — элементарный заряд, ε0 — диэлектрическая проницаемость свободного пространства, ε — диэлектрическая постоянная, kB — постоянная Больцмана, а T — температура. Используя эту формулу, длина Дебая для чистой воды при pH 7 составляет около 1 мкм. Длина Дебая для воды в равновесии с атмосферным воздухом при 298 К с растворенным углекислым газом (т. е. pH около 5.6) составляет около 220 нм. Если ионы (например, соль) растворяются в воде, длина Дебая еще больше уменьшается. Следовательно, длина Дебая очень мала в нанометровом масштабе.
Для генерации электроэнергии наиболее широко изученным подходом в предыдущих исследованиях является потоковый. Эта система включает в себя движение непрерывного потока водного раствора через небольшой канал. Поток перемещает слой свободных ионов близко к заряженной поверхности (т. е. на расстоянии, определяемом длиной Дебая) к выходу канала для производства потокового тока и электричества (1a(ii)). Эффективность системы обычно определяется как количество произведенного электричества, деленное на количество энергии, необходимое для приведения системы в действие (например, насосом). Когда используется вода (в равновесии с воздухом), максимальная эффективность почти пренебрежимо мала и составляет менее 1%, независимо от размера канала (верхний график на 1b). Когда размер канала составляет около длины Дебая 220 нм, эффективность быстро уменьшается с увеличением размера. Эффективность становится практически полностью пренебрежимо малой за пределами 10 мкм.
Для повышения эффективности предыдущие исследования рассматривали множество улучшений, включая использование небольших наномасштабных каналов, добавление соли в воду (нижний график на 1b), увеличение поверхностной плотности заряда или модификацию системы для предотвращения рекомбинации заряда. Несмотря на эти улучшения, тенденция остается той же во всех предыдущих теоретических или экспериментальных исследованиях потокового тока: эффективность систем быстро снижается, когда размер канала увеличивается за пределы длины Дебая. Ни одно из предыдущих исследований не сообщало о какой-либо значительной эффективности, когда размер канала превышает 10 мкм. Поскольку разделение зарядов является поверхностным явлением, эти результаты в принципе ожидаемы: величина площади интерфейса для разделения зарядов становится незначительной в более крупных (например, > 10 мкм) системах.
Крайне необходимо использовать макромасштабные (например, миллиметрового масштаба) каналы для сбора возобновляемой энергии воды из природных источников (например, дождя или рек). Вода из природных источников не может течь через небольшие наномасштабные каналы естественным образом. Для изучения производства потокового тока насосы всегда используются для перекачивания жидкости через небольшие каналы. Однако очень малая эффективность, о которой сообщалось во всех предыдущих исследованиях потокового метода (т. е. от нескольких до менее одного процента), основана на гораздо большей энергии, необходимой насосам, чем вырабатываемое электричество. Таким образом, в настоящее время нецелесообразно использовать потоковый метод для выработки электроэнергии. По крайней мере, необходимы каналы миллиметрового размера, чтобы вода из природных источников могла течь через них естественным образом, без необходимости в насосе. Поэтому крайне важно найти методы преодоления фундаментального ограничения, определяемого длиной Дебая, для эффективной выработки электроэнергии с использованием макромасштабных каналов и воды из природных источников.
Таким образом, предыдущие исследовательские работы вместо этого опирались на другие фундаментальные механизмы. Один из методов включает электростатическую индукцию. Технологии, которые используют электростатическую индукцию, включают капельницу Кельвина и генераторы электроэнергии на основе капель. Эти системы обычно включают в себя сначала зарядку твердой поверхности, а затем протекание капель воды через или над заряженной поверхностью. В некоторых исследованиях сообщалось о первой предварительной зарядке поверхности либо путем ионной инъекции (т. е. шага, требующего ввода энергии), либо очень постепенной зарядке посредством разделения заряда твердое тело-жидкость (т. е. процесса, требующего большого количества капель и длительного времени зарядки). После зарядки поверхности капли воды текут по ней. Электрод под поверхностью ощущает изменяющееся количество заряда посредством многократного размещения капель на заряженной поверхности или не посредством электростатической индукции для генерации электроэнергии. Эти устройства способны производить только кратковременную импульсную (т. е. мгновенную, но не непрерывную) мощность. Хотя пиковые мгновенные мощности этих устройств высоки, продолжительность каждой была очень короткой и обычно составляла от 0.1 до 1 мс.
Чтобы понять эффективность этих устройств как источника энергии, необходимо определить среднюю непрерывную плотность мощности вместо сообщаемой пиковой мгновенной мощности. Среднюю непрерывную плотность мощности можно определить, приняв во внимание энергию, собранную с одной капли воды, частоту капель, контактирующих с поверхностью, и площадь поверхности устройства. Самая высокая средняя непрерывная плотность мощности этих устройств была всего лишь порядка 0.1–1 Вт/м2 (т. е. без учета устройств, объединенных с другими системами генерации энергии, такими как солнечные панели). Важно отметить, что электричество вырабатывается путем электростатической индукции уже существующего и постоянного количества заряда, присутствующего на поверхности. Заряд на поверхности не собирается напрямую в виде электричества. Поскольку поток тока собирает постоянно отделенный заряд напрямую в виде электричества, механизмы этих генераторов на основе капель принципиально отличаются от потокового метода.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые рассказывают об удивительном природном явлении, благодаря которому высокая эффективность выработки электроэнергии (> 10%) может быть достигнута путем протекания воды через макромасштабный (т. е. миллиметрового размера) канал. Поскольку система включает только текущую воду через канал, электричество вырабатывается путем разделения заряда на границе раздела твердое тело-жидкость (т. е. не другими фундаментальными механизмами). Было установлено, что ключом к получению высокой эффективности выработки электроэнергии является использование оптимальной модели потока: «пробкового» потока (т. е. коротких столбов воды, разделенных воздушными зазорами). Высокая энергетическая эффективность >10% при использовании канала миллиметрового размера указывает на то, что фундаментальный предел, установленный длиной Дебая, нарушается пробковым потоком. Важно то, что поскольку задействован макромасштабный канал, вода из природных источников (например, дождь и реки) может течь через канал под собственным весом (т. е. без необходимости в насосе).
Результаты исследования
Экспериментальная установка включала только простые материалы: самодельную башню для хранения воды (т. е. полимерные контейнеры или пластиковые бутылки; высотой 0.75–1.65 м), металлическую иглу, прикрепленную к нижнему выходному отверстию башни, полимерную трубку, чашку для сбора воды и деионизированную воду (1c и 1d). Были использованы трубки из фторированного этиленпропилена (FEP от fluorinated ethylene propylene) из-за их превосходного зарядного свойства, без какой-либо обработки (например, не требовалась начальная зарядка). Важно, что ее макромасштабный диаметр 2 мм (длина: 32 см) позволял воде естественным образом падать вниз под действием силы тяжести. С точки зрения эксплуатации нужно было только заполнить башню водой. Затем вода вытекала из башни через горизонтально ориентированную металлическую иглу и сталкивалась с верхней частью вертикально ориентированной трубки, которая была разрезанной пополам. Это столкновение воды с поверхностью трубки вызвало последующий нисходящий волнообразный поток, который естественным образом смешивал воздух со столбом воды, тем самым создавая впоследствии в трубке пробковый поток. Пробковый поток состоял из отдельных столбов воды, разделенных карманами воздуха в трубке (1d; видео №1). Вода собиралась в чашке, расположенной под трубкой. Энергия собиралась из двух точек: (P1) вода, собранная в чашке, и (P2) верхняя часть трубки.
Видео №1
Электричество вырабатывалось всякий раз, когда вода протекала через трубку. Был получен положительный ток от (P1) и отрицательный ток от (P2) одновременно. После оптимизации многих параметров установки (т. е. включая резистивные нагрузки в (P1) и (P2)) ученые измерили удивительно высокую среднюю мощность 440 ± 13 мкВт из обеих точек (P1) и (P2), когда вода протекала (80 мл/мин) только через одну трубку с малым диаметром 2 мм (1e−1g). Эта величина соответствует большой средней плотности мощности порядка ∼100 Вт/м2 (т. е. на основе трубок с диаметром 2 мм, расположенных вертикально в плотно упакованной структуре, и только одноступенчатой установки высотой 32 см). Эффективность (εff) определялась как процент электроэнергии, вырабатываемой над потерей потенциальной энергии воды при ее течении по трубке. Был получен оптимальный КПД 10.4%; следовательно, электроэнергия вырабатывалась напрямую с высокой эффективностью путем простого сбора потенциальной энергии за счет подъема воды.
Кинетическая энергия была приблизительно постоянной по всей системе и относительно незначительной; поэтому она не была включена в расчет эффективности. Фактически, было измерено, что скорость потока была немного выше на выходе (т. е. vo = 0.4 м/с), чем на входе (т. е. vi = 0.35 м/с) трубки. Поскольку система производила больше кинетической энергии, чем получала, кинетическая энергия не была ответственна за генерацию электроэнергии. Более того, кинетическая энергия составляла всего около 2% от потери потенциальной энергии воды. Скорость на входе в трубку была намного ниже типичной скорости капель дождя (например, конечная скорость дождя более чем на порядок превышает скорость на входе при ∼9 м/с). Следовательно, можно собирать энергию непосредственно из дождя, без необходимости в водонапорной башне.
Изображение №2
Результаты показали, что мощность, вырабатываемая системой, колебалась со временем, но оставалась непрерывной в течение всего времени (т. е. вместо импульсной мгновенной мощности). Следовательно, система способна обеспечивать непрерывную мощность. С другой стороны, пробковый поток был прерывистым и состоял из столбов воздуха между заряженной водой. Чтобы изучить непрерывную генерацию мощности, ученые остановили поток воды в системе и следили за генерацией мощности. Было обнаружено, что электричество продолжало течь примерно ∼1 секунду даже после того, как поток остановился (2a и 2b). Эта продолжительность непрерывной подачи электричества без потока заряженной воды была намного больше, чем продолжительность, необходимая для того, чтобы один столб воздуха вытекал из трубки примерно за ∼0.015 с. Следовательно, электричество могло подаваться непрерывно, даже когда выходил воздух. Причиной непрерывной подачи электричества, возможно, был накопленный заряд внутри системы, который вытекал всякий раз, когда вместо воды вытекал воздух.
Подтверждение того, что генерируемое электричество было обусловлено разделением заряда на границе раздела твердое тело-жидкость, было получено путем прямого измерения количества заряда в воде после вытекания из трубки FEP с помощью цилиндра Фарадея, соединенного с электрометром. Количество заряда, измеренное цилиндром Фарадея, соответствовало электричеству, генерируемому системой.
Эффект был аддитивным для масштабирования системы как в боковой плоскости, так и в вертикальной. Была получена удвоенная мощность путем пропускания воды одновременно через две трубки. Удвоенная мощность также была получена путем пропускания пробкового потока воды через одну трубку, а затем через вторую, размещенную под первой.
Далее ученые исследовали влияние различных параметров системы на эффективность выработки электроэнергии. Сначала ученые систематически изменяли длину трубки и обнаружили, что напряжение и ток как от (P1), так и от (P2) увеличивались линейно с увеличением длины трубки примерно до 32 см, после чего они больше не увеличивались. Ученые изменяли скорость потока и обнаружили, что эффективность оставалась на уровне более 90% от оптимальной эффективности системы для большого диапазона скоростей потока от 40 до 80 мл/мин (2c). Эффективности, полученные с помощью водопроводной воды, раствора NaCl 0.1 мМ и раствора NaCl 10 мМ, составляли более 85% от оптимальной эффективности системы при использовании деионизированной воды (2d). Эффективности, полученные с помощью воды с различными температурами 4, 25 и 50 °C, оказались статистически схожими (2e). Поэтому казалось, что эффективность выработки электроэнергии системой оставалась схожей при различных условиях окружающей среды.
Также было установлено, что система вырабатывала постоянную мощность после многократного и длительного использования. Аналогичные показатели эффективности были получены после пропускания пробковых потоков воды через трубку FEP в (P1) и (P2) в течение 1 мин, 1 часа или 2 часов (2f). Следовательно, общие показатели эффективности системы были схожи для всех трех продолжительностей. В другом наборе экспериментов ученые пропускали пробковые потоки воды через трубку FEP пять раз в день, по 1 минуте каждый раз, в течение 7 дней подряд (2g). Аналогичные показатели эффективности были получены в течение всех 7 дней.
Изображение №3
Далее ученые исследовали связь между моделью потока и генерацией электроэнергии из интерфейса твердое тело-жидкость. Для справедливого сравнения ученые получили разные модели потока жидкости, внеся лишь незначительные изменения в установку, сохранив важные аспекты (например, скорость потока) неизменными. Изменяя только диаметр трубки и ориентацию металлической иглы (т. е. горизонтально или вертикально), ученые получили пять типов моделей потока (3a): пробковый поток (трубка 2 мм), пробково-капельный поток (трубка 3 мм; видео №2), капельный поток (трубка 6 мм; видео №3), ручей (трубка 6 мм; видео №4) и непрерывный поток (трубка 1 мм; видео №5). Результаты показали, что пробковый поток генерирует на 5 порядков больше электроэнергии, чем непрерывный поток (3b). Следовательно, модель потока имеет решающее значение для генерации электроэнергии. Различные модели потока генерируют совершенно разное количество энергии. Эти результаты показали, что тип течения эффективно контролирует величину заряда, генерируемого в жидкости.
Видео №2
Видео №3
Видео №4
Видео №5
Ученые разработали обратимый переход потока, чтобы наглядно показать большое влияние модели потока на генерацию заряда в реальном времени. Эксперимент включал в себя вытекание воды из иглы шприца на наклонную V-образную поверхность (политетрафторэтилен; 3c). Переход был вызван путем изменения только расстояния разделения (dsep) между иглой шприца и полимерной поверхностью. Поток был ручьем, когда dsep был маленьким (т. е. ∼0.5 мм), и капельным, когда dsep был большим (т. е. >2 мм). Результаты показали, что плотность энергии, создаваемая капельным потоком, была в 14100 раз больше, чем создаваемая ручьем (3d). Резко отличающиеся количества генерируемой мощности можно легко воспроизвести, обратимо и многократно вызывая динамический переход между капельным потоком и ручьем в реальном времени (видео №6). За исключением dsep, все остальные аспекты экспериментальной установки остались прежними; таким образом, причиной разницы в генерации заряда была схема течения.
Видео №6
Модели потока (т. е. пробковый и капельный поток), которые генерировали большее количество электричества, имели разрывы внутри потока, тогда как модели потока (т. е. ручей и непрерывный поток), которые генерировали меньшее количество электричества, были непрерывными. Была исследована фундаментальная роль разрыва путем изучения полярности заряда, генерируемого непрерывным потоком (4a) и прерывистым капельным потоком (4b). Сначала поверхности стекла была покрыта различными типами поликатионов (PEI, PAH, PDDA) или полианионов (PSS) (4c). Ученые убедились в том, что поверхности равномерно покрыты полиэлектролитами, маркируя покрытые поверхности флуоресцентным красителем и наблюдая за поверхностями с помощью конфокальной микроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS от X-ray photoelectron spectroscopy) и измерения угла контакта.
Изображение №4
Затем непрерывные потоки водных растворов с различными значениями pH пропускали через поверхности, непокрытые или покрытые различными типами полиэлектролитов в электрокинетическом анализаторе, и измеряли дзета-потенциалы поверхностей (4d). Полярность жидкости на выходе противоположна дзета-потенциалу поверхности из-за потока подвижных противоионов в жидкости к выходу. Измерения показали, что различные жидкости непрерывных потоков заряжались положительно или отрицательно в зависимости от pH и типа поверхности, как и ожидалось.
В частности, жидкость была отрицательно заряжена во многих случаях, включая те, которые включали многие типы положительно заряженных поверхностей (например, PEI, PDDA и PAH; 4c) и широкие диапазоны pH (например, от ∼pH 2 до pH 8). Затем прерывистые капли водных растворов с различным pH (т. е. От ∼pH 3 до pH 11) пропускали через те же непокрытые или покрытые поверхности (4e). Были проведены контрольный эксперимент, в котором прерывистые капли не контактировали ни с одной поверхностью («Control» на 4e). Результаты показали, что прерывистый поток неожиданно заряжал жидкость только положительно для всех случаев и более положительно, чем «Control». Этот результат показал, что механизм прерывистого потока принципиально отличался от механизма непрерывного потока.
Изображение №5
Поскольку вода заряжается только положительно независимо от типа поверхности, заряженные частицы, образующиеся в воде, вероятно, связаны не с поверхностью (например, подвижные противоионы полиэлектролитов), а с самой водой (5a). Предыдущие исследования показали, что водные ионы OH− предпочтительно адсорбируются на твердых поверхностях по сравнению с водными ионами H+. Чтобы исследовать роль ионов OH−, было измерено pH основных (pH 9) водных растворов до и после течения либо прерывистых капель, либо непрерывного потока по наклонной V-образной поверхности. Результаты показали, что pH значительно снизился (т. е. ΔpH ≈ 0.3), когда поток был прерывистым, но был незначительным, когда поток был непрерывным (5b). С помощью ЯМР (спектроскопия ядерного магнитного резонанса) не было обнаружено никаких изменений в химическом составе воды (5c). Аналогично, никаких изменений в химическом составе поверхности трубки FEP до и после протекания воды не было обнаружено с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (5d) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (5e), возможно, потому, что изменения были небольшими.
Для более высокой чувствительности мы использовали масс-спектрометрию вторичных ионов с временем пролета (ToF-SIMS от time-of-flight secondary ion mass spectrometry) для обнаружения адсорбции ионов OH− на внутренней поверхности трубки FEP до и сразу после протекания прерывистых потоков воды или полностью непрерывного потока. Результат анализа поверхности после контакта с пробковым потоком показал появление сильного пика, который представлял интенсивность OH− при m/z = 17 («Plug flow» на 5f(II)). С другой стороны, интенсивности OH− поверхностей до контакта с любой текущей водой («Dry tube» на 5f(I)) и после контакта с полным непрерывным потоком («Full flow» на 5f(III)) были схожи и незначительны. Эти результаты показали, что ионы OH− абсорбировались на внутренней поверхности трубки FEP после протекания пробкового потока через трубку.
Затем ученые исследовали местоположение заряда на границе раздела твердое тело-жидкость с помощью пробкового потока. В этом эксперименте один длинный столб воды общим объемом 43 мл пропускали через относительно короткую трубку FEP (т. е. вся система имела объем всего 3 мл) только один раз. Измерения показали, что заряд, генерируемый в первых 40 мл полностью непрерывного потока через трубку, был незначительным (5g). Однако, как только задний край появлялся в начальной части трубки (т. е. последние 3 мл, оставшиеся в системе), измеренный заряд резко увеличивался. Результаты показали, что заряд находился в последних 3 мл воды, которая оставалась в трубке после появления заднего края. Заряд, генерируемый прямо на заднем крае, возможно, быстро рассеивался в объеме 3 мл воды из-за отталкивающих электростатических сил между заряженными частицами. Таким образом, этот результат показал, что зарядка не происходила на передней кромке или непрерывной секции пробкового потока, а на задней кромке. Эти результаты были общими для трубок разных размеров.
Была изучена возможность миграции ионов на внутренней поверхности трубки FEP. Из-за постоянного потока воды через трубку поверхность трубки, как ожидается, будет сильно увлажнена. Было экспериментально измерено, что поверхностное сопротивление влажной поверхности FEP составляет 109 Ом/кв, что соответствует общему поверхностному сопротивлению внутренней поверхности трубки 1011 Ом. Поскольку порядок величины этого сопротивления аналогичен резистивным нагрузкам, используемым в оптимальной системе, ионы могут мигрировать по поверхности трубки FEP.
На основании всех этих результатов ученые предложили механизм, посредством которого пробковый поток через трубку эффективно разделяет заряд на границе раздела твердое тело-жидкость (5h). Механизм, который не является специфическим для типа поверхности, — это разделение ионов H+ и OH− воды. Молекулы воды подвергаются самоионизации с образованием ионов H+ и OH−. Предыдущие исследования показали, что ионы OH− воды имеют тенденцию преимущественно адсорбироваться по сравнению с ионами H+ на границе раздела твердое тело-жидкость. Это явление является общим и встречается как на гидрофильных, так и на гидрофобных поверхностях. Результаты моделирования молекулярной динамики также показали, что ионы OH− имеют тенденцию адсорбироваться преимущественно (т. е. больше, чем ионы гидроксония) на границе раздела воды и твердого тела. С другой стороны, известно, что ионы H+ обладают большей подвижностью в водных средах по сравнению с другими типами ионов.
Когда дискретный столб воды движется вниз по трубке, его задний край отступает от поверхности твердого тела. Неравновесная динамика на линии контакта между водой и твердой поверхностью на заднем крае оттягивает высокоподвижные ионы H+ от поверхности раздела твердое тело-жидкость в основной объем воды (т. е. и вызывает снижение pH), тем самым заряжая жидкость положительно. Менее подвижные водные ионы OH− предпочтительно адсорбируются и остаются на поверхности, тем самым заряжая поверхность отрицательно. Самоионизация воды генерирует около 10−7 М ионов OH−. Основываясь на типичной скорости потока 80 мл/мин, было определено, что количество отрицательного заряда, генерируемого системой за единицу времени, примерно на 2 порядка меньше количества ионов OH−, образующихся при самоионизации, протекающей через трубку за единицу времени. Поэтому вполне вероятно, что отрицательные заряды, генерируемые системой, обусловлены ионами OH−, образующимися при самоионизации воды. Этот механизм позволяет воде заряжаться положительно независимо от того, состоит ли поверхность из неионных, ионизуемых или ионных функциональных групп.
Важно отметить, что локализованное разделение заряда на отступающей линии должно быть сопряжено с крупномасштабным разделением заряда. Если бы отрицательный заряд продолжал накапливаться на поверхности, то достигалось бы насыщение отрицательного заряда; таким образом, последующие столбы пробкового потока больше не заряжались бы. Однако ученые экспериментально определили, что отрицательный заряд не накапливался бы в большом количестве на твердой поверхности, даже когда вода приобретала гораздо большее количество положительного заряда. Фактически, ученые измерили значительное количество отрицательного заряда, который мигрировал вверх по течению к (P2). Таким образом, динамика пробкового потока в трубке создает противоточный транспорт ионов для крупномасштабного разделения заряда: положительные ионы текут вниз по трубке вместе с жидкостью, а отрицательные ионы мигрируют вверх по трубке (например, вдоль поверхности) по всей длине трубки (5h). Большой химический потенциал для локализованного разделения заряда на задней линии позволяет положительным и отрицательным ионам оставаться разделенными, даже когда они мигрируют противоточным образом. Полное покрытие столбов пробковых потоков по всей окружности трубки обеспечивает влажность для повышения поверхностной проводимости, что, возможно, позволяет отрицательным ионам быстро перемещаться вверх по влажной поверхности. Отрицательный заряд рассеивался в окружающем воздухе только тогда, когда поток был прерывистым. Таким образом, это рассеивание объясняло немного меньший отрицательный ток в точке (P2), чем положительный ток в точке (P1) (1e).
Другие исследованные модели потока имеют менее локализованное и крупномасштабное разделение заряда. Пробковый поток генерирует большую мощность, чем пробково-капельный и капельный потоки, вероятно, потому, что он имеет больший контакт твердого тела с жидкостью для большего локализованного и крупномасштабного разделения заряда. Количество энергии, генерируемой ручьем и непрерывным потоком, намного меньше, возможно, из-за отсутствия разрывов. Ручей генерирует большую мощность, чем непрерывный поток, возможно, из-за случайных колебаний вдоль сторон ручья. Следовательно, нерегулярности модели потока генерируют мощность более эффективно.
Изображение №6
Далее ученые показали, что пробковый поток через четыре трубки, электрически подключенные к внешней цепи, которая увеличивала ток, одновременно уменьшая потенциал, соответственно генерировал электричество эффективно для питания светодиодов (6a). Результаты показали, что 20 секунд пробкового потока через трубки питали 12 светодиодов для яркого и непрерывного свечения в течение >20 секунд. Следовательно, подаваемая мощность была непрерывной (6b; видео №7).
Видео №7
Кроме того, ученые показали, что пробковый поток может быть использован для создания освещения на основе того же фундаментального механизма, что и современные лампы (например, люминесцентные). Сначала ученые выровняли две металлические иглы горизонтально с зазором ∼1 мм в атмосфере гелия (6c). Одна игла была электрически подключена к (P1), тогда как другая была подключена к (P2). Когда пробковый поток пропускали через две трубки, между иглами возникало яркое свечение (видео №8).
Видео №8
Электричество, вырабатываемое пробковым потоком, может использоваться напрямую в различных важных приложениях (7a). Сначала ученые показали применение проведения химических реакций. Иглу, соединенную с (P1), поднесли близко к водной капле, содержащей метиленовый синий. При пробковом потоке капля изменила цвет с синего на бесцветный (7b). Анализ с помощью ультрафиолетовой и видимой спектроскопии показал, что метиленовый синий полностью прореагировал.
Изображение №7
Затем было продемонстрировано, что электричество произвело большое количество радикалов. Эксперимент был повторен, используя каплю, содержащую поглотитель радикалов 2,2-дифенил-1-пикрилгидразил (DPPH), растворенный в N,N-диметилформамиде (DMF). DPPH является стандартным химикатом, используемым для обнаружения присутствия радикалов. При пробковом потоке капля изменила свой первоначальный пурпурно-красный цвет на бледно-желтый (7c). Анализ с помощью УФ-видимой спектроскопии показал, что DPPH прореагировал полностью, тем самым подтвердив образование большого количества радикалов.
Видео №9
Также генерируемое электричество было использовано для обработки поверхности. Ученые поднесли иглу, соединенную с (P1), близко к поверхности полидиметилсилоксана (PDMS). При пробковом потоке часто возникали электрические искры, которые можно было наблюдать невооруженным глазом (7d; видео №9). Угол контакта PDMS значительно изменился со 109° (т. е. гидрофобный) до 37° (т. е. фактически гидрофильный) после обработки из-за химической функционализации гидроксильных групп на поверхности. Такое изменение смачиваемости сопоставимо со стандартными методами (например, плазмой или УФ), которые требуют использования дорогостоящего оборудования.
Видео №10
Кроме того, было установлено, что тот же метод может эффективно заряжать жидкости и твердые поверхности. Заряженная вода и поверхности важны во многих приложениях, включая электростатическое разделение, покрытие и микрофлюидные манипуляции. Для зарядки воды ученые пропускали капли воды через трубку. Вода становилась сильно положительно заряженной и, как было обнаружено, быстро отталкивалась от положительно заряженной полимерной поверхности (т. е. заряженной простым электростатическим пистолетом; 7e; видео №10). Для зарядки поверхностей иглу, подключенную к (P1), подносили близко к поверхностям из разных материалов. Материалы приобретали значительные количества электростатического заряда (7f), которые были аналогичны тем, что используются в практических приложениях.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые рассказали о новом методе генерации энергии с помощью прерывистого потока жидкости. За счет так называемого «пробкового» потока вода, падающая по вертикальной трубке, генерирует значительное количество электроэнергии.
Использование водных потоков для генерации энергии не является чем-то новым, однако классические методы требуют огромных объемов воды. Для меньших и более медленных объемов воды альтернативой является использование разделения зарядов, явления, которое создает электрические заряды, когда вода движется по каналу с электропроводящей внутренней поверхностью. Но разделение зарядов крайне неэффективно, поскольку оно ограничено поверхностью, по которой движется вода. Раннее уже были попытки повысить эффективность этого метода, создавая каналы для прохождения воды в микро- и наномасштабе. Проблема в том, что вода не может проходить через столь малые каналы самостоятельно. Следовательно, необходимо использовать, к примеру, насос. В результате на работу такой установки будет уходить больше энергии, чем она сможет генерировать.
Авторы рассмотренного нами сегодня труда смогли решить эту проблему весьма простым и элегантным способом. Их установка состояла из емкости с водой, которая через иглу капала внутрь трубки высотой 32 см и диаметром 2 мм. Лобовое столкновение капель в верхней части трубки вызывало пробковый поток: короткие столбы воды, перемежающиеся с карманами воздуха. По мере того как вода текла вниз по внутренней части трубки, электрические заряды разделялись. Затем вода собиралась в чашке под трубкой. Провода, размещенные в верхней части трубки и в чашке, собирали электричество.
Система пробкового потока преобразовывала более 10% энергии воды, падающей по трубкам, в электричество. И по сравнению с водой, текущей непрерывным потоком, пробковый производил на 5 порядков больше электроэнергии. Поскольку протестированные скорости капель были намного ниже, чем у дождя, ученые предполагают, что систему можно использовать для сбора электроэнергии из падающих капель дождя, что даст гораздо больше выработки энергии. Дополнительные опыты показали, что использование нескольких трубок (параллельно или последовательно соединенных) можно увеличить выработку энергии в два раза.
По словам ученых, данная методика гораздо проще в реализации и обслуживании. Внедрение ее в городскую среду (на крышах зданий) позволит использовать дождь в качестве источника зеленой энергии.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
