Energia
Hydrovoltaics – Sähkön hyödyntäminen haihtumisesta
Lisää Securities.io suosikkilähteisiisi Google-palvelussa
Uudet tutkimukset osoittavat, että nanoskaalaiset laitteet voivat kerätä sähköä nesteen haihtumisesta, paljastaen suuren energiapotentiaalin, jota ei ole vielä asianmukaisesti hyödynnetty.
Haihtuminen on luonnollinen prosessi. Yksinkertaisesti se on haihtumisen muoto, joka tapahtuu nesteen pinnalla, kun se muuttuu kaasuksi. Se on kaikkialla ympärillämme, mutta emme yleensä kiinnitä siihen huomiota.
Mielenkiintoista on, että noin puolet maapallolle saapuvasta aurinkoenergiasta ohjaa haihtumisprosesseja. Haihtuminen, joka mahdollistaa jatkuvan energianvaihdon globaalissa vesikierron, on uusiutuva energialähde, jota tutkimuksen mukaan ei vielä hyödynnetä.
Vesi, joka on runsaasti saatavilla, koska se peittää yli 70 % planeettamme pinnasta, sisältää tonneja energiaa kemiallisena, lämpö- ja kineettisenä energiana, mutta vain vähän siitä on hyödynnetty. Kun tarkastellaan luonnollisen haihtumisen kokonaisenergiantuotopotentiaalia järvistä ja vesialtaista, Yhdysvalloilla on arvioitu 325 GW:n potentiaali. Tämä edustaa yli 69 % Yhdysvaltojen sähkön tuotantonopeudesta vuonna 2015, kertoo tutkimus.
Siksi viime vuosikymmeninä tutkijat ovat pyrkineet hyödyntämään haihtumisen energiapotentiaalia. Tätä on tutkittu monien laitteiden, kuten itsevirtaisten generaattoreiden, hybridi- ja tandemijärjestelmien, avulla. Vuosien tutkimus on kiinnittänyt paljon huomiota haihtumiseen perustaviin hydrovoltaisiin laitteisiin, erityisesti nanomateriaalien ja nanoteknologian edistymisen myötä.
Tässä yhteydessä tarkastellaan HV-ilmiötä, jonka avulla nanorakenteiset materiaalit voivat tuottaa sähköä vuorovaikutuksessa veden kanssa. Vesi voi tässä olla pisaroita, kosteutta, nestettä tai haihtumista. HV-ilmiössä haihtuminen aiheuttaa jatkuvan virtauksen näiden laitteiden nanoaaltojen sisällä. Tämä ilmiö näkyy myös kasvien mikrokapillaareissa, joissa veden kuljetus tapahtuu kapillaalipaineen ja luonnollisen haihtumisen yhdistelmänä.
Neljä mekanismia nähdään pääasiallisina HV-ilmiön aiheuttajina: virtaus, pseudo-virtaus, ionigradienttien diffuusio ja elektronin vetovaikutus. Hydrovoltaic-ilmiö laajentaa mahdollisesti veden energian keräämisen teknistä kykyä ja mahdollistaa itsevirtaisten laitteiden luomisen.
Nyt Sveitsiläisen julkisen tutkimusyliopiston EPFL:n (Swiss Federal Institute of Technology Lausanne) tutkijat ovat saaneet rahoitustukea Sveitsin kansalliselta tiedesäätiöltä (SNSF) Korean‑Sveitsin tiede‑ ja teknologian yhteistyörahaston sekä Sveitsin hallituksen erinomaisuussäätiön kautta. EPFL:n kokeelliset tilat, Interdisciplinary Centre for Electron Microscopy (CIME) ja Center for MicroNanoTechnology (CMi), osallistuvat myös energian keräämiseen nesteen haihtumisesta, jossa on korkeampia ionipitoisuuksia kuin puhdistetussa vedessä.
Asia on se, että hydrovoltaisia laitteita on jo olemassa, mutta niiden nanoskaalassa tapahtuvaa HV-tuotantoa ohjaavista fysikaalisista ilmiöistä tiedetään vähän. Lisäksi puuttuu toiminnallinen ymmärrys olosuhteista, jonka tämän tutkimuksen tavoitteena on korjata.
Julkaistu aiemmin tässä kuussa Cell Pressin lehdessä Device, tutkimus Laboratoriosta Nanotiede energiateknologiaa varten (LNET) nimeltä “Suolapitoisuudesta riippuvat rajapintailmiöt hydrovoltaisten laitteiden optimointiin” on toteuttanut Giulia Tagliabue ja Tarique Anwar.
Tutkimuksessa kokeiltiin monifysiikka-mallinnusta määrittämään nestevirtoja, ionivirtoja ja elektrostaattisia vaikutuksia kiinteä‑neste‑vuorovaikutuksista, tavoitteena optimoida HV-laitteita.
Tagliabuen, LNET:n johtajan Koulussa, mukaan tämä on ensimmäinen tutkimus, joka kvantifioi hydrovoltaisia ilmiöitä heidän uuden ja erittäin hallitun alustansa ansiosta. Näitä hydrovoltaisia ilmiöitä mitataan korostamalla erilaisten rajapintavuorovaikutusten merkitystä.
Prosessin aikana tiimi löysi merkittävän havainnon hydrovoltaisten laitteiden kyvystä toimia laajalla suolapitoisuusalueella. Tagliabue totesi, että tämä on ristiriidassa aikaisemman uskomuksen kanssa, jonka mukaan erittäin puhdas vesi on välttämätöntä optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi.
Monifysiikkamalli
Viime aikoina haihtumiseen perustuvien nestevirtojen tutkimukset materiaaleissa, jotka ovat mikrorakenteisia nanoskaalassa, ovat synnyttäneet uuden tavan tuottaa uusiutuvaa tai vihreää energiaa, muuntamalla lämpöenergiaa sähköenergiaksi elektrokinettisen reitin kautta. Tässä suorituskykyyn liittyvät parannukset johtuvat elektrodikontaktien optimoinnista.
Kuitenkin mallintamistyökalujen puute ja kysymykset järjestelmän geometrisista ja kemiallisista ominaisuuksista rajoittavat sekä suorituskykyä että tämän nousevan teknologian, hydrovoltaisten (HV) laitteiden, sovellusaluetta kestävän energian tuotannossa.
Tutkijat kehittivät siis kvantitatiivisen monifysiikkamallin ja hyödynsivät järjestettyjä piin nanosarakkeiden (Si NPs) arrat, jotka toivat pinnalle aiemmin tutkimattoman. Merkittävää on, että tutkimus havaitsi, että pinnan varaus, joka riippuu ionipitoisuudesta ja ionien liikkuvuudesta, ohjaa useita paikallisia maksimeja avoimen piirin jännitteessä (VOC), ja ihanteelliset olosuhteet poikkeavat perinteisistä odotuksista matalasta pitoisuudesta.
Lisäksi rakenteelliset epäsymmetriat voivat tuottaa elektrostaattisen potentiaalin, joka parantaa HV-suorituskykyä. Lisäksi tutkimus vahvistaa ionien adsorptioin ja varauksen käänteisen vaikutuksen monille yksivalkaisille katioonille, mikä mahdollistaa laitteiden toiminnan myös korkeissa pitoisuuksissa.
Tutkimusryhmän kehittämä HV-laite koostuu senttimetri‑mittakaavan säännöllisistä Si NPs -arrasta, jotka on kaiverrettu p‑tyyppiseen piilevyyn. Ryhmä käytti sitten kolloidilithografiaa ja metallinavusteista kemiallista kaivamista (MACE) yhdistelmää asettaakseen kuusikulmaisen NP‑arran etäisyyden, samalla kun pituutta ja halkaisijaa vaihdettiin välillä 1,23–4,4 μm ja 420–560 nm. Muuttamalla Si‑NP‑mittoja he pystyivät suoraan hallitsemaan nanoaaltojen geometriaa ja kiinteä‑neste‑pintaa tarpeen mukaan.
Tässä tutkimuksessa hydrovoltaic-laite edustaa ensimmäistä nanosphäärikolloidilithografian tekniikan sovellusta, mikä mahdollisti tutkijoille tarkasti välimatkoilla sijoitettujen Si NPs -verkoston muodostamisen. Näiden piin nanosarakkeiden väliset välikatot loivat täydellisen kulun nesteiden haihtumiseen. Tätä voidaan edelleen hienosäätää, jotta ymmärretään paremmin nesteen rajoittamisen ja kiinteä‑neste‑kosketuspinnan vaikutuksia.
Anwar, LNET:n tohtorikoulutuksen opiskelija, selitti, että useimmissa suolaliuoksilla toimivissa nestesysteemeissä on yhtä monta positiivista ja negatiivista ionia. Rajoittamalla neste nanoaaltoon voimme saada vain ne “ionit, joiden polariteetti on vastakkainen pinnan varauksen kanssa.” Näin ollen, kun neste virtaa nanoaaltoon, voimme tuottaa virtaa ja jännitettä, hän lisäsi.
HV-laitteiden jännitteen ja virran perusmekanismien ymmärtäminen edellyttää samalla hallintaa kiinteä‑neste‑rajapinnan ominaisuuksista ja nesteen nanorajoituksesta, eli nanoaaltojen geometriasta.
Johtopäätöksenä tutkimus osoitti korkean tehopitoisuuden, 8 μW/cm² 0,1 M:ssa, käyttäen tehoa, joka on verrattavissa hanaveden käyttöön perustuvien laitteiden kanssa, mutta “kaksi suuruusluokkaa korkeampien pitoisuuksien” kanssa kuin aiemmin raportoitu. Tämä raivaa tietä HV-järjestelmien laajemmalle sovellettavuudelle suolapitoisuusasteilla, joissa ihanteelliset käyttöolosuhteet määräytyvät erilaisten rajapintailmiöiden perusteella.
Tagliabuen selittäessä kemiallista tasapainoa nanolaitteen pinnavarausta voidaan hyödyntää HV-laitteiden toiminnan laajentamiseksi suolapitoisuusasteella. Kun nesteen ionipitoisuus kasvaa, myös nanolaitteen pinnavaraus kasvaa, mikä mahdollistaa “suurempien nesteen kanavien käytön korkeampipitoisilla nesteillä. Tämä helpottaa laitteiden valmistamista hanaveden tai meriveden käyttöön, toisin kuin pelkästään puhdistetun veden kanssa,” Tagliabue sanoi.
Näin tutkimus väittää tarjoavansa keskeistä näkemystä ja suunnittelutyökalun haihtumiseen perustuvien hydrovoltaisten (EDHV) laitteiden optimointiin, sekä osoittaen laajempia sovellusmahdollisuuksia näille itsevirtaisille järjestelmille.
Tutkimus toteaa, että avoimen piirin jännitteen (VOC) suorituskykymetriikkaa voidaan parantaa lisäämällä haihtumisnopeutta. Pintavarausten ja nanorajoituksen geometrian mukaan VOC voidaan kaksinkertaistaa viidelläkertaisen haihtumisnopeuden kasvun avulla, mikä tarkoittaa, että tehoa voidaan nostaa jopa nelinkertaiseksi.
Tämä johtuu pääasiassa virtausvirran vahvistumisesta, mutta vaatii tarkempaa tietoa näiden laitteiden fluididynamiikasta vahvistuksen varmistamiseksi.
Jännittäviä potentiaalisia sovelluksia hydrovoltaisille laitteille
Vesihöyry on kaikkialla maapallolla, tarjoten näin suuren mahdollisuuden, erityisesti sähkön tuotantoon ja globaalin energian puutteen lievittämiseen. Tätä varten hydrovoltaisia laitteita voidaan käyttää energian keräämiseen eri tavoin, kuten epäsymmetrisen rakenteen rakentamisella.
Kuitenkin energian tuotanto riippuu nesteen ominaisuuksista, kuten sen tyypistä ja liuoksen liuenneen aineen pitoisuudesta. Tämä johtuu siitä, että sähköenergia syntyy HV-ilmiössä, kun sähköinen kaksoiskerros (EDL) muodostuu neste‑kiinteä‑rajapinnassa ja aiheuttaa varauskantajien kertymisen.
Näistä haasteista huolimatta hydrovoltaisilla laitteilla on valtava potentiaali jatkuvan haihtumisen ansiosta laajalla lämpötila- ja kosteusalueella. Tämä tekee HV-laitteista valmiita moniin jännittäviin sovelluksiin, kuten virtalähteisiin, kaikissa sääolosuhteissa toimiviin energian tuotantoihin sekä veden keräämiseen ja suolanpoistoon.
Tutkimus havaitsi, että makean veden olosuhteissa EDL‑ylipeitto on vaatimus, joka voidaan toteuttaa alhaisella kokonaispinnavaraus ja korkealla rajoituksella, eli pienillä nanoaaltojen ko’oilla. Silti pinnan alueen tai varauksen lisääminen tekee suuremmat nanoaaltojen koot käyttökelpoisiksi.
Meriveden olosuhteissa optimaalinen tilanne voidaan saavuttaa suurilla huokoskoolla (Dp‑arvot >100 nm) hallitsemalla pinnavarausta, mikä viittaa siihen, että geometrinen rajoitus nanometrin mittakaavassa voidaan estää, mikä helpottaa näiden laitteiden skaalautuvuutta.
Korkeilla suolapitoisuuksilla varauksen käänteistäminen voidaan toteuttaa minimoimalla kiinteä‑neste‑rajapinta ja alkupinnavaraus. Kuitenkin toiminta näin korkeissa pitoisuuksissa pitkällä aikavälillä voi olla haasteellista ionien adsorptioiden ja suolan kiteytymisen vuoksi. Tämä johtuu suoraan vaikutuksesta pinnan ja nanorakenteen geometriaan. Siksi tutkijat kirjoittivat, että lisätutkimuksia tarvitaan.
Tutkimuksen tutkijat toivovat myös tutkia laitteen monipuolista potentiaalia, organisaatioiden tukemana, jotka ovat myöntäneet rahoitusta, ymmärtääkseen ja analysoidakseen tätä nousevaa teknologiaa.
Yksi tukijorganisaatio, Sveitsin kansallinen tiedesäätiö (SNSF), jonka tehtävänä on liittovaltion hallitus, pyrkii hyödyntämään haihtumisesta saatavaa energiaa ja kehittämään täysin “uuden paradigman jätelämmön talteenottoon ja uusiutuvan energian tuotantoon suurilla ja pienillä mittakaavoilla.” Tämä sisältää prototyyppimoduulin todellisissa olosuhteissa Keski‑Euroopan suurimmalla järvellä, Genevejärvellä, keräämään tietoa hydrovoltaisesta tuotannosta alppijärvillä.
SNSF on tukenut energiaan liittyviä projekteja monien vuosien ajan edistääkseen tiedon ja asiantuntemuksen kehittämistä tulevaa käyttöä varten. Nämä projektit kattavat energian tuotannon, varastoinnin, jakelun ja hallinnan sekä tehokkuuden.
Tagliabue sai SNSF:n aloitusrahoituksen vuonna 2022, jonka puitteissa 1,8 miljoonaa CHF:ta jaetaan viiden vuoden aikana. Tämä rahoitus auttaa tiimiä “laajentamaan ponnistuksiamme hydrovoltaisten laitteiden nanoinsinöörityöhön uusiutuvan energian tuotannossa,” Tagliabue sanoi.
Hän sanoi tuolloin:
“Vahvistamalla tarvittavan perustavanlaatuisen ymmärryksen, mallinnustyökalut ja insinööristrategiat, tämä projekti tarjoaa mullistavan panoksen haihtumisen tekemiseksi laajalle levinneeksi, turvalliseksi ja jatkuvaksi uusiutuvaksi energialähteeksi sekä suurilla että pienillä mittakaavoilla.”
HV-laitteet tarjoavat suuren mahdollisuuden, ja koska ne voivat toimia missä tahansa on nestettä, jopa hikeä, ne myös tarjoavat potentiaalia antureiden käyttöön. Tämä kattaa kaiken terveys- ja kuntoilulaitteista älytelevisioihin.
Tagliabue on lisäksi kiinnostunut ymmärtämään, miten valo- ja fototermiset (sähkömagneettiseen säteilyyn liittyvät) vaikutukset voitaisiin käyttää pinnavarausten ja haihtumisnopeuksien hallintaan HV-järjestelmissä.
Lopuksi tutkijat näkevät symbioosin HV-järjestelmien ja puhtaan veden tuotannon välillä, ja Anwar korostaa, miten luonnollista haihtumista käytetään suolanpoistoprosesseissa. Haihtuvan pinnan tuottaman höyryn tiivistäminen mahdollistaa makean veden keräämisen suolavedestä.
“Nyt voit kuvitella käyttäväsi HV-järjestelmää sekä puhtaan veden tuottamiseen että sähkön hyödyntämiseen samanaikaisesti.”
– Anwar
Johtopäätös
Energia- ja ympäristöongelmien jatkuvan kasvun myötä tarvitaan tehokkaita, joustavia ja ympäristöystävällisiä ratkaisuja. Tässä hydrovoltaiset laitteet voivat olla valtava apu, sillä ne tuottavat sähköenergiaa hyödyntäen kaikkialla läsnä olevaa veden haihtumista.
Kuitenkin tämä innovaatio ei tule ilman haasteita. Ne ilmenevät tuotetun tehon puutteena käytännön sovellusten vaatimuksiin, epävarmuutena vakaudesta ja kestävyydestä todellisissa olosuhteissa sekä esteinä suurten, integroitujen sovellusten saavuttamisessa. Näistä esteistä huolimatta teknologia ja tutkimus hydrovoltaanisista materiaaleista ja laitteista ovat edelleen alkutaipaleella, ja tarvitaan kehittyneempiä teknologioita sekä lisää tutkimusta niiden laajamittaiseen käyttöön.
Yksinkertaisesti sanottuna hydrovoltaisilla laitteilla on suuria etuja, joita ei voi sivuuttaa. Verrattuna monimutkaisiin, kalliisiin ja ympäristöä vahingoittaviin ratkaisuihin, tämä tarjoaa uuden ja lupaavan menetelmän energian tuotantoon tulevaisuudessa. Ajan myötä hydrovoltaisten laitteiden odotetaan kasvavan kannattavaksi ja laajaksi teollisuudeksi.
