Наноустройство вырабатывает электроэнергию из окружающей влаги

Ученые в США утверждают, что разработали устройство, которое может генерировать электричество из влаги в воздухе. Устройство, основанное на тонкой пленке электропроводящих белковых нанопроволок, может производить непрерывную электроэнергию в течение примерно 20 часов, прежде чем самозарядится. Исследователи говорят, что такая технология может обеспечить чистую энергию без ограничений на местоположение и условия окружающей среды других решений возобновляемых источников энергии, таких как солнечные элементы.

Устройство состоит из тонкой пленки белковых нанопроволок размером примерно 7 мкм, собранной с микроорганизма Geobacter sulfurreducens, нанесенной на золотой электрод площадью около 25 кв. мм. Меньший, примерно 1 кв. мм, электрод помещается поверх пленки нанопроволок.

Цзюнь Яо (Jun Yao) , инженер-электрик из Массачусетского университета, и его коллеги обнаружили, что эта установка способна генерировать непрерывный ток в течение более 20 часов. Через 20 часов напряжение упало примерно с 0,5 В до 0,35 В, но когда нагрузка была снята, в течение пяти часов оно снова поднялось до 0,5 В, что свидетельствует о процессе самозарядки.

Исследователи также подключили несколько устройств вместе, чтобы увеличить выход. Благодаря 17 устройствам они смогли генерировать напряжение 10 В и продемонстрировали, что эти подключенные устройства могут питать светодиод или небольшой жидкокристаллический дисплей.

G. sulfurreducens была обнаружена Дереком Ловли (Derek Lovley), микробиологом из Массачусетского университета. Он сообщает в Physics World, что бактерии используют электропроводящие нанопроволоки для установления связей с другими видами микроорганизмов и минералами. «Например, в почвах и отложениях Geobacter «подает» электроны на метанообразующие микроорганизмы, которые используют их для превращения углекислого газа в метан, - говорит Ловли. - Geobacter также электрически соединяется с минералами железа в почвах и отложениях, чтобы использовать минералы железа подобно тому, как мы используем кислород».

По словам исследователей, в устройстве генерируется энергия благодаря градиенту влажности, который образуется в пленке нанопроволоки, когда она подвергается воздействию естественной влажности воздуха. Меньший электрод сверху является ключевым, так как он оставляет одну сторону открытой для влажного воздуха, позволяя формироваться градиенту влажности.

Яо говорит, что работа устройства может быть сравнена с молнией. «Облако накапливает положительные и отрицательные заряды на верхней и нижней сторонах, и при определенном пороге оно разряжается через молнию, - объясняет он. - Это указывает на то, что заряд может накапливаться из окружающей среды, и мы можем собирать его для производства электроэнергии. Можно думать, что наше устройство - это маленькое «облако», одна сторона которого открыта для воздуха, а другая закрыта. Молекулы воды в воздухе постоянно сталкиваются с открытой поверхностью, создавая больше зарядов, чем на другой. Разница в заряде в конечном итоге приведет к созданию электрического поля или разности потенциалов, которые будут управлять выходом электрического тока».

Команда экспериментально определила, что влажность окружающей среды была источником энергии, запечатав верхнюю часть устройства, чтобы заблокировать обмен молекул воды с нанопроводами. Это обнуляло электрическую мощность, которая возвращалась после снятия уплотнения. Они также обнаружили, что увеличение влажности окружающей среды и, следовательно, скорости обмена молекул воды увеличивает электрическую мощность. Чтобы проверить, что не было электрохимических реакций с золотыми пластинами, команда заменила их инертными угольными электродами и смогла генерировать аналогичные напряжения. Устройство также работало в темноте, устраняя необходимость в фотоэлектрическом эффекте.

По словам Яо, что исследователи сейчас работают над соединением устройств, чтобы увеличить мощность: «Мы продемонстрировали, что устройства можно подключать для увеличения мощности, поэтому в настоящий момент доказано, что они будут масштабироваться».

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365