Naukowcy przez przypadek odkryli, jak pozyskać energię z wilgotnego powietrza

Tesla uważał, że pozyskiwanie energii z powietrza jest możliwe — teraz pytanie brzmi, czy będzie możliwe jej wykorzystanie na skalę potrzebną do zasilania naszych domów.

Na początku XX wieku serbski wynalazca Nikola Tesla marzył o czerpaniu nieskończonej darmowej energii elektrycznej z powietrza wokół nas. Zawsze ambitny, Tesla myślał w szerokim zakresie, efektywnie traktując Ziemię i górną atmosferę jako dwa końce ogromnej baterii. Jego marzenia nigdy nie zostały zrealizowane, ale obietnica energii elektrycznej pochodzącej z powietrza — hygroelektryczność — ponownie przyciąga uwagę naukowców. Różnica polega na tym, że nie myślą oni na dużą, ale na bardzo, bardzo małą skalę.

W maju zespół z University of Massachusetts (UMass) w Amherst opublikował artykuł, w którym stwierdzał, że udało mu się wytworzyć mały, ale ciągły prąd elektryczny z wilgotności powietrza. To twierdzenie z pewnością podniesie kilka brwi ze zdziwienia, jednak kiedy zespół dokonał odkrycia, które zainspirowało to nowe badanie w 2018 roku, tak właśnie się stało.

„Szczerze mówiąc, to był przypadek,” mówi główny autor badania, prof. Jun Yao. „Naprawdę interesowało nas stworzenie prostego czujnika wilgotności powietrza. Tymczasem z jakiegoś powodu student, który pracował nad tym, zapomniał podłączyć zasilanie”.

Zespół z UMass Amherst był zaskoczony, gdy odkrył, że urządzenie, składające się z matrycy mikroskopijnych rur, czyli nano-drutów, wytwarzało sygnał elektryczny.

Każdy nano-drut miał mniejszą średnicę od tysięcznej części średnicy włosa ludzkiego, co wystarczało, aby cząsteczka wody z powietrza mogła wejść, ale była na tyle wąska, że poruszała się wewnątrz rurki. Zespół zdał sobie sprawę, że każde uderzenie nadawało materiałowi niewielki ładunek, a wraz ze wzrostem częstotliwości uderzeń, jeden koniec rurki stawał się inaczej naładowany od drugiego.

„Więc to naprawdę jest jak bateria” — powiedział Yao. „Masz pozytywną i negatywną siłę, a gdy je połączysz, ładunek zaczyna płynąć”.

W swoim najnowszym badaniu, zespół Yao odeszedł od nano-drutów, a zamiast tego przebija materiały milionami drobnych otworów, czyli nano-porów. Urządzenie, które stworzyli, ma rozmiar miniaturki, jedną piątą szerokości włosa ludzkiego, i jest w stanie generować około jednego mikrowata — wystarczająco dużo, aby oświetlić jeden piksel na dużym ekranie LED.

Więc co by było potrzebne, aby zasilić resztę ekranu, a może nawet cały dom?

„Piękno polega na tym, że powietrze jest wszędzie”— mówi Yao. „Chociaż cienka warstwa urządzenia daje bardzo małą ilość energii elektrycznej lub mocy, w teorii możemy układać wiele warstw w pionowej przestrzeni, aby zwiększyć moc”.

Dokładnie to próbują zrobić inni członkowie zespołu, prof. Svitlana Lyubchyk i jemu podobni, prof. Andriy i Sergiy Lyubchyk. Svitlana Lyubchyk i Andriy są częścią lisbońskiego projektu Catcher, którego celem jest „przemienianie wilgotności atmosferycznej w odnawialną energię”, a razem z Sergiyem założyli CascataChuva, startup mający na celu komercjalizację badań. Zespół zaczął pracować nad pomysłem w 2015 roku, nieco wcześniej niż załoga Yao w UMass Amherst. „Byliśmy uważani za dziwaków” — mówi Andriy.

W rzeczywistości, próby udowodnienia wartości wczesnej koncepcji na konferencjach sprawiły, że dosłownie zaczerwienili się na twarzy.  „Sygnał był niestabilny i niski. Udało nam się wygenerować 300 miliwatów, ale musiałeś włożyć całe swoje wysiłki w płuca, aby oddychać na próbki wystarczająco wilgotnym powietrzem”.

Od tamtej pory zrobili spore postępy, a Catcher i powiązane projekty otrzymały prawie 5,5 mln euro finansowania od Europejskiej Rady Innowacji. Wynikiem jest cienki, szary dysk o średnicy 4 cm. Według Lyubchyków, jedno takie urządzenie może generować skromne 1,5 wolta i 10 miliamperów. Jednak 20 000 takich urządzeń ułożonych w kostkę wielkości pralki, jak twierdzą, mogłoby generować 10 kilowatogodzin energii dziennie — mniej więcej tyle, ile zużywa przeciętne gospodarstwo domowe w Wielkiej Brytanii. Co jest jeszcze bardziej imponujące: planują mieć gotowy prototyp do prezentacji w 2024 roku.

Urządzenie, które może generować użyteczną energię elektryczną z nieco wilgotnego powietrza, może brzmieć zbyt pięknie, aby mogło być prawdziwe, ale Peter Dobson, profesor emerytowany nauk inżynieryjnych na Uniwersytecie w Oksfordzie, śledzi badania obu zespołów — UMass Amherst i Catcher — i jest optymistą.

„Kiedy pierwszy raz o tym usłyszałem, pomyślałem: 'Och, znowu jedno z tych….’ Ale nie, to ma potencjał” — mówi Dobson. „Jeśli możesz to zaprojektować i skalować, i uniknąć zanieczyszczenia urządzenia przez atmosferyczne mikroby, powinno to działać”.

Sugeruje również, że zapobieganie zanieczyszczeniu mikrobami to raczej „ekscytujące wyzwanie inżynieryjne” niż terminalna wada, ale są o wiele większe problemy do pokonania, zanim ta technologia zacznie zasilać nasze domy.

„Jak te urządzenia są produkowane?” pyta Anna Korre, profesor inżynierii środowiskowej w Imperial College London. „Pozyskiwanie surowców, kosztorysowanie, ocena wpływu na środowisko i skalowanie ich do implementacji wymaga czasu i determinacji”.

Nawet po pokonaniu pozostałego wyzwania połączenia tysięcy tych urządzeń, znaczącym problemem pozostaje koszt. „Wszystkie nowe technologie energetyczne muszą myśleć o ekologii” — mówi Colin Price, profesor geofizyki na Uniwersytecie w Tel Awiwie, odnosząc się do dodatkowych kosztów wyboru czystej technologii kosztem technologii emitującej więcej gazów cieplarnianych.

Lyubchykowie szacują, że zrównoważony koszt energii — średni netto koszt produkcji energii elektrycznej dla generatora przez cały okres jego eksploatacji — z tych urządzeń będzie na początku wysoki, ale poprzez wejście do produkcji masowej, mają nadzieję znacznie go obniżyć, ostatecznie czyniąc tę hygroelektryczność konkurencyjną w stosunku do energii słonecznej i wiatrowej. Aby to jednak zadziałało, potrzebują inwestycji, dostępu do surowców i sprzętu do ich przetwarzania.

W przeciwieństwie do energii słonecznej czy wiatrowej, generatory hygroelektryczne mogłyby pracować dzień i noc, w pomieszczeniach i na zewnątrz, i w wielu miejscach. Zespół ma nawet nadzieję kiedyś zrobić materiały budowlane z ich urządzeń. „Wyobraź sobie, że możesz konstruować części budynku z tego materiału,” mówi Andriy. „Nie ma potrzeby przesyłania energii, nie ma potrzeby budowania infrastruktury”.

To wszystko może wydawać się myśleniem niekonwencjonalnym, a do marzenia Tesli o nieograniczonej energii elektrycznej z powietrza jest jeszcze daleko, ale Yao sugeruje, że możemy znaleźć powody do optymizmu. „Wiele energii jest przechowywane w cząstkach wody w powietrzu” — mówi. „Stąd mamy efekt błyskawicy podczas burzy. Istnienie tego typu energii nie jest wątpliwe. Chodzi o to, jak ją pozyskać”.

Źródło: theguardian.com