Группа инженеров из Массачусетского университета в Амхерсте недавно показала, как практически любой материал может быть превращён в устройство, которое непрерывно получает электричество из влажного воздуха. Секрет заключается в том, чтобы снабдить материал нанопорами диаметром менее 100 нанометров. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials.
«В воздухе содержится огромное количество электричества, — говорит Джун Яо, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Инженерном колледже UMass Amherst и старший автор статьи. — Подумайте об облаке, которое представляет собой не что иное, как массу капель воды. Каждая из этих капель содержит заряд, и при благоприятных условиях облако может произвести молнию, но мы не знаем, как надёжно уловить электричество от молнии. Мы создали небольшое рукотворное облако, которое предсказуемо и непрерывно производит для нас электроэнергию, а мы можем её собирать».
Принцип работы искусственного облака Яо и его коллеги называют «обобщённым эффектом Air-gen». Он основан на работе, которую Яо и соавтор Дерек Лавли, заслуженный профессор микробиологии в UMass Amherst, завершили в 2020 году, показав, что электричество можно непрерывно собирать из воздуха с помощью специализированного материала из белковых нанопроводов, выращенных из бактерии Geobacter sulfurreducens.
«После открытия Geobacter мы поняли, — говорит Яо, — что способность генерировать электричество из воздуха — то, что мы тогда назвали ''эффектом Air-gen'' — оказывается универсальной: буквально любой материал может собирать электричество из воздуха, если он обладает определёнными свойствами. У него просто должны быть отверстия размером менее 100 нм — менее тысячной доли ширины человеческого волоса».
Диаметр отверстия связан с параметром, известным как «длина свободного пробега» — расстоянием, которое проходит молекула вещества, в данном случае воды в воздухе, прежде чем столкнуться с другой молекулой того же вещества. Когда молекулы воды находятся во взвешенном состоянии в воздухе, их длина свободного пробега составляет около 100 нм.
Яо и его коллеги поняли, что на основе этого показателя можно сделать устройство для сбора электричества. Поры в таком материале пропускают молекулы воды из верхней его части в нижнюю. Но поскольку каждая пора мала, молекулы воды, проходя через тонкий слой, будут натыкаться на край поры. Это означает, что верхняя часть слоя будет бомбардироваться гораздо большим количеством молекул воды, несущих заряд, чем нижняя часть, создавая дисбаланс заряда, подобно тому, как это происходит в облаке, когда верхняя часть увеличивает свой заряд по сравнению с нижней частью. Это фактически создаст аккумулятор, который будет работать до тех пор, пока в воздухе есть влажность.
Устройство для сбора энергии можно сконструировать буквально из любого материала, что открывает широкие возможности для создания экономически эффективных и адаптируемых к окружающей среде конструкций. А поскольку влажность есть в воздухе всегда, такой накопитель будет работать круглосуточно, в дождь или солнце, ночью и независимо от того, дует ветер или нет.
Наконец, поскольку влажный воздух трёхмерен, многие тысячи таких устройств можно уложить друг на друга, эффективно увеличивая количество энергии без увеличения площади устройства. «Представьте себе мир будущего, в котором чистая электроэнергия доступна в любом месте, — говорит Яо. — Эффект Air-gen может сделать этот будущий мир реальностью».
