Jak działa nowa technologia hydrowoltaiczna?
To nie pierwsza próba wykorzystania parowania do generowania energii, lecz szwajcarskie podejście wydaje się wyjątkowo skuteczne. Wcześniejsze koncepcje często borykały się z szybką utratą wydajności lub wymagały skomplikowanej kontroli. Nanourządzenie opracowane w Lozannie pracuje samodzielnie i utrzymuje stabilną moc wyjściową przez wiele godzin. Sekretem nie jest jeden genialny komponent, lecz przemyślana, rozdzielna architektura, która pozwala precyzyjnie sterować każdym etapem procesu.
Czytaj też: Zwinięte arkusze zmieniają przyszłość elektroniki i nadprzewodnictwa. Wystarczył prosty zabieg
Globalnie, przez parowanie z każdego metra kwadratowego powierzchni uwalniane jest średnio 80 watów mocy. To pokaźny, całkowicie odnawialny zasób, który dotąd pozostawał praktycznie niewykorzystany. Urządzenie z EPFL składa się z trzech odseparowanych warstw: górnej, gdzie zachodzi parowanie, środkowej odpowiedzialnej za transport jonów oraz dolnej, która zbiera ładunki elektryczne. Taki modularny układ to spora zmiana, ponieważ pozwala on optymalizować każdy segment osobno, bez konieczności kompromisów dla całego systemu. Kluczową innowacją jest w tym przypadku pokrycie mikroskopijnych słupków krzemowych cienką warstwą tlenku. To proste zabezpieczenie rozwiązuje jeden z głównych problemów, który nękał wcześniejsze projekty: degradację materiału w słonej wodzie pod wpływem ciepła i światła.
W urządzeniach hydrowoltaicznych zwiększenie wydajności poprzez dopływ ciepła i światła powoduje degradację materiału w czasie, zwłaszcza w warunkach słonej wody. W przeciwieństwie do tego, nanosłupki naszego urządzenia są pokryte warstwą tlenkową, aby zapewnić stabilną wydajność w warunkach ciepła i światła oraz chronić przed niepożądanymi reakcjami chemicznymi – podkreśla Giulia Tagliabue z EPFL
Mechanizm generowania prądu
Działanie urządzenia opiera się na dwóch głównych elementach, które nie stykają się bezpośrednio, ale są połączone elektrochemicznie. Na górze znajduje się strefa parowania, a na dole – matryca mikroskopijnych słupków z krzemu i dielektryka, zanurzona w roztworze soli. Cały proces zaczyna się, gdy światło słoneczne wzbudza elektrony w krzemie. Równocześnie ciepło wzmacnia ładunki ujemne na jego powierzchni. Kiedy woda zaczyna parować, jony soli przemieszczają się, tworząc separację ładunków. Ta różnica potencjałów generuje pole elektryczne, które „wypycha” wzbudzone elektrony, tworząc użyteczny prąd. Prawdziwą siłą tego systemu jest synergia, gdyż efekty świetlne, cieplne i parowania wzajemnie się wzmacniają. Tagliabue podkreśla, że jej zespół jako pierwszy w pełni wykorzystał ten naturalny efekt:
Nasza praca pokazuje, że dzięki temu efektowi ładunku powierzchniowego, dodatek światła słonecznego i ciepła może zwiększyć produkcję energii pięciokrotnie. Ten naturalny efekt zawsze istniał, ale my jesteśmy pierwsi, którzy go wykorzystali
Aby lepiej zrozumieć i przewidywać zachowanie układu, badacze opracowali szczegółowy model elektryczny, który uwzględnia nawet tak złożone zjawiska jak pojemność transferu ładunku.
Wydajność i możliwe zastosowania
Liczby prezentują się obiecująco, wszak urządzenie osiąga napięcie 1 wolta i gęstość mocy na poziomie 0,25 wata na metr kwadratowy. To wyniki porównywalne z innymi technologiami hydrowoltaicznymi, przy czym system z EPFL oferuje ciągłą, autonomiczną pracę bez interwencji. Co ważne, wydajność można jeszcze poprawiać, odpowiednio dobierając materiały. Badania pokazują, iż kluczowy jest rodzaj domieszkowania krzemu, wybór dielektryka (tlenek glinu działa lepiej niż tlenek tytanu), a także intensywność światła, zasolenie i temperatura.
Czytaj też: Ta cząsteczka magazynuje energię przez lata. Sensacyjne odkrycie amerykańskich naukowców
Najbardziej imponująca jest jednak stabilność. Urządzenie utrzymywało stałe napięcie wyjściowe przez ponad 50 godzin nieprzerwanej pracy, nawet przy ciągłej ekspozycji na światło. To mocny argument za trwałością tej konstrukcji. Gdzie takie technologie mogłyby znaleźć zastosowanie? Trzeba być realistą. Nie zasilą one domów ani samochodów. Ich naturalnym miejscem wykorzystania są raczej rozproszone, niskomocowe systemy, które mogą działać tam, gdzie jest dostęp do wody, słońca i ciepła. Pozbawione baterii czujniki środowiskowe, urządzenia przeznaczone do noszenia (wearables) czy elementy wchodzące w skład Internetu Rzeczy to idealni kandydaci. Pomysł, by zasilać je energią czerpaną z tak banalnego procesu jak parowanie, brzmi co najmniej interesująco.