Flytende vanngeneratorer omdanner regn til fornybar energi

Etterspørselen etter energi øker raskt. I 2024 registrerte denne verden en økning på 4.3% i etterspørselen etter elektrisitet. Dette var en mye større økning enn den 2.5% økningen som ble registrert året før, som var nær gjennomsnittlig vekst i etterspørselen etter elektrisitet mellom 2010 og 2023.

Denne veksten er primært drevet av den massive veksten i datasentre på grunn av eksplosjonen av AI-adopsjon og elektriske kjøretøy, med industriell ekspansjon og økt bruk av klimaanlegg som også bidrar betydelig.

Mens fossile brensler utgjorde mer enn halvparten (nesten 60%) av elektrisitetsgenereringen i fjor, med kull som fortsatt den største kilden i verden, er energimiksen faktisk i endring. Ifølge IEA, for første gang noensinne, utgjorde kraftproduksjon fra fornybare kilder og kjernekraft to femtedeler av total global produksjon i 2024. 

Fornybare energikilder var spesielt ansvarlige for en tredjedel av verdens elektrisitetsproduksjon. Blant fornybare kilder leder vannkraft med en andel på 14% av total elektrisitetsgenerering, etterfulgt av vind på 8%, solcelle-PV på 7% og bioenergi og avfall på kun 3%.

Selv om det er en viktig utvikling mot ren energi, er fornybar energis bidrag til global energiproduksjon fortsatt lavt. Så for ytterligere å hjelpe med å akselerere dette skiftet til fornybare energikilder, har forskere utviklet nye teknologier for energikonvertering for å møte den økende etterspørselen etter daglig elektrisk energiforbruk.

Systemer som samler energi direkte fra miljøet, spesielt, kan hjelpe med å øke bruken av fornybare energikilder.

Hydrovoltaikk: Å omdanne regn- og vannsykluser til elektrisitet

Vann er et kritisk element for livet. Ikke bare utgjør det en stor del av kroppen vår, men det utgjør også en stor del av jorden. Dekker 70% av planeten vår, er vann den mest rikelige ressursen, og det inneholder en betydelig mengde energi i ulike former, hvorav mye fortsatt er stort sett underutnyttet.

En av måtene denne energien utnyttes på er gjennom vannkraft, som innebærer å bruke den naturlige strømmen av bevegelig vann til å generere elektrisitet.

En annen kraftig måte å høste energi fra vannets naturlige syklus på er gjennom hydrovoltaisk teknologi. I motsetning til tradisjonelle teknologier, som høster vannets kinetiske energi, genererer hydrovoltaisk teknologi elektrisitet fra den direkte interaksjonen mellom et elektrodmateriale og vann.

Hydrovoltaisk teknologi gjør faktisk det mulig å utvikle lavkost- og høy-effektive systemer som kan konvertere termisk energi direkte til elektrisk energi gjennom interaksjonen mellom vann og nanomaterialer som grafen, karbonnanorør, karbonnanopartikler og ledende polymerer.

Energien som konverteres her genereres av dråpe, strøm, fluktuasjon, kondensasjon eller fordampning, og øker kraftutgangen betydelig. Forskning viser¹ at ved å bruke kun 1% av den tilgjengelige energien i verdens vann med en beskjeden 1% effektivitet gjennom hydrovoltaisk teknologi kan vi møte en tredjedel av verdens energibehov.

Dermed er enheter basert på denne utviklende teknologien avgjørende for å tilfredsstille etterspørselen fra den kraftkrevende verden ved bruk av fornybare energikilder.

Dette har ført til omfattende forskning på dråpe-energigeneratorer, en type hydrovoltaisk teknologi som konverterer den mekaniske energien i vann dråper som regndråper til elektrisitet. Men begrensninger i dagens teknologi har ikke tillatt effektiv konvertering av energien i vann til elektrisk energi.

For eksempel kan en tradisjonell dråpe-energigenerator basert på triboelektrisk effekt, som genererer en elektrisk ladning når to forskjellige materialer kommer i kontakt og deretter separeres, produsere elektrisitet når en dråpe treffer en overflate. Imidlertid begrenser den interfasiale effekten antallet ladninger som genereres på overflaten, noe som resulterer i relativt lav energikonverteringseffektivitet.

Så har et forskerteam utviklet en ny «vannintegrert dråpeelektrisitetsgenerator» som produserer høy effekt mens den flyter på overflater, og gir et glimt av neste generasjon av lettvektige, høy-effektive enheter. Ifølge studien:

«Vi forventer at dette arbeidet vil åpne en ny vei for å utnytte vannlignende naturlige materialer til å konstruere hydrovoltaiske enheter og fremme landfrie stor-skala applikasjoner.»

Men før vi dykker ned i denne forskningen, la oss først se på hva som har skjedd på dette området.

Den nyeste utviklingen innen dråpeelektrisitetsgeneratorer (DEG-er)

Bevegelige vann dråper som regndråper er utbredt og bærer med seg en betydelig mengde kinetisk energi, noe som viser lovende potensial for bærekraftig elektrisitetsgenerering. For å høste den kinetiske energien fra vann dråper, har forskere fokusert innsatsen sin på DEG-er.

Droppbasert elektrisitetsgenerator (DEG) er en kraftig teknologi og har vist lovende som en effektiv måte å høste energi fra det naturlige miljøet.

Den bruker fallende vann dråper til å generere elektrisitet. Vanligvis består den av to triboelektriske lag og et par elektroder, hvor ladninger separeres når en vann dråpe treffer overflaten og deretter sklir av.

Den lave kostnaden, enkle struktur og høye effekt-tetthet av DEG-er har gjort dem populære blant forskere for å høste kinetisk energi fra miljømessige vannkilder.

Imidlertid er dens brede anvendelse hindret av den komplekse strukturen og lav effekt-tetthet. Deres anvendelse, som er begrenset til landbasert bruk, gjør dem også upraktiske for innsjøer, elver og hav.

Andre utfordringer med DEG-er inkluderer betydelig ytelsesnedgang over tid i integrerte systemer, materialholdbarhetsproblemer, og det store romlige fotavtrykket som kreves for stor-skala applikasjoner.

Swipe to scroll →

Så pågår forskning med fokus på å forbedre effektiviteten gjennom bedre design, ved å bruke naturlig vann som en del av strukturen, eller optimalisere materialer, med nylige innovasjoner som skaper lettvektige, kostnadseffektive og til og med flytende enheter.

For noen år siden utviklet et forskerteam fra City University of Hong Kong (CityU) en DEG med en felt-effekt transistor (FET)-lignende struktur² som oppnådde høy energikonverteringseffektivitet. Dens umiddelbare effekt-tetthet var mye høyere, omtrent tusen ganger høyere, enn sine motparter uten en FET-lignende struktur.

Deres arbeid hadde to nøkkelfaktorer; en var teamets funn at når kontinuerlige vann dråper treffer overflaten av polytetrafluoretylen (PTFE), et dielektrisk materiale med en kvasi-permanent elektrisk ladning, akkumuleres de produserte overfladeladningene og når gradvis metning. Dette hjalp teamet med å overvinne den tidligere opplevde lave ladningstettheten ved å tilby en ny måte å samle og lagre høy-densitets overfladeladninger.

Den andre faktoren var deres design, hvis nøkkelfunksjon var et unikt sett av strukturer lik en FET. Enheten er sammensatt av en aluminiumselektrode og en PTFE/ITO-elektrode, som innebærer en indium-tin-oksid (ITO) elektrode med et PTFE-film påført. Når en dråpe treffer PTFE/ITO-overflaten og sprer seg over den, broer den begge elektrodene, og gjør systemet til en lukket elektrisk krets.

Designet tillot en høy tetthet av overfladeladninger å samles på PTFE. Og når det spredende vannet kobler de to elektrodene, blir lagrede ladninger på PTFE fullt frigitt for å produsere en elektrisk strøm.

Mens CityUs design fokuserte på å øke ladningsakkumuleringen, forenklet et annet team fra Kinas akademi for vitenskap DEG-arkitekturen for å gjøre den mer skalerbar.

Det kinesiske forskerteamet foreslo³ en DEG med en enkel åpen struktur for fullt å utnytte selvkapasitans-effekten til den øvre elektroden for å fremme bredere anvendelse.

Problemet er at det er vanskelig å kontinuerlig levere energi til elektrisk utstyr med en enkelt eller flere DEG-er.

Som teamet bemerket, når man høster stor-skala regndråpeenergi i skrå bygninger som skur, er en enkel metode å koble alle DEG-er i parallell for å levere strøm til belastningen, som en lyspære. Så, med referanse til cellestrukturen i et solcellepanel og ved å utnytte den øvre elektrodenes selvkapasitans-effekt fullt ut, introduserte de SCE-DEG med en enkel åpen struktur, som hovedsakelig består av en øvre og nedre elektrode, PTFE-film og belastning.

Elektrodene her trenger ikke å kobles til hverandre, men høy umiddelbar utgangseffekt kan fortsatt oppnås via den øvre elektrodenes selvkapasitans-effekt, noe som gjør strukturen mye enklere og mer praktisk for stor-skala popularisering.

Ved testing kunne den produsere 212 mW utgangseffekt med en 61 μL vann dråpe og kunne lyse opp 100 kommersielle LED-er.

Nylig har forskere fra KTH Royal Institute of Technology, Sverige, tilpasset bunn-elektrodene i DEG⁴ for å gjøre deres område sammenlignbart med spredningsområdet til de påtrengende vann dråpene, noe som doblet den gjennomsnittlige utgangseffekten til individuelle celler.

Teamet laget også stor-skala (30-celle) arrays som oppnådde omtrent 2,5 ganger høyere kraft enn de mest avanserte arrays. Videre integrerte de en stor-skala (400-celle) mikro-superkondensator (MSC) array for å lagre elektrisiteten generert av 30-celle generator-arrayen med 21,8 % effektivitet, uten bruk av noen kraftstyringschip.

Denne integrasjonen skaper et selvladende kraftsystem (SCPS) med en utgangseffekt på 81,2 µW.

Etter at 30-celle DEG-arrayen lader 400-celle MSC-arrayen i kun 30 sekunder, kan den integrerte SCPS levere strøm til en LED som kan arbeide kontinuerlig i 60 sekunder, «som antyder løftet i strategien om å integrere stor-skala DEG-arrays med stor-skala ultrarask MSC-arrays for å bygge SCPS-er for høy-effektiv energihøsting fra naturlig vann mot praktiske anvendelser.»

Flytende W-DEG: En lettvektig, kostnadseffektiv vei til regnbasert energi

Nå har forskere fra Nanjing University of Aeronautics and Astronautics utviklet en ny løsning, en flytende DEG som bruker naturlig vann som en nøkkelkomponent i strukturen, og dermed gir en lettvektig, rimelig og miljøvennlig vei til produksjon av fornybar energi.

I stedet for å ha en dielektrisk film som sitter på en stiv base med en metall elektrode under, har det nye designet vannet som både støttende base og ledende elektrode. Denne tilnærmingen, topp-elektrode-dielektrisk-vann-arkitektur, reduserer både materialvekt og kostnad med henholdsvis 87 % og 50 % sammenlignet med eldre modeller, samtidig som den opprettholder et lignende nivå av elektrisk utgang og viser stor holdbarhet i ulike arbeidsmiljøer.

Publisert i National Science Review⁵, beskriver studien den ‘naturintegrerte’ designveien som har ført til utviklingen av en ny vannintegrert flytende DEG (W-DEG) som utnytter vannets elektriske og strukturelle funksjoner.

Den fungerer slik: når regndråper, en ferskvannskilde som bærer ubrukt energi, lander på den flytende dielektriske overflaten, reagerer et lag av fluorert etylenpropylen (FEP) umiddelbart. Som kjemisk inert motstår den tynne FEP-filmen ekstreme temperaturvariasjoner, korrosjon og vekst av alger og bakterier.

Etter hvert som dråpen sprer seg, skaper den en strøm av ioner, som forårsaker en ladningsoverføring mellom den øvre regionen og den nedre regionen, og genererer en svært liten mengde elektrisitet. Overflaten nullstilles når dråpen spretter.

Vannets naturlige egenskaper her gir den mekaniske stabiliteten som kreves for å absorbere påvirkningen og la dråpene spre seg effektivt, uten å bøye eller brekke.

Disse naturlige egenskapene inkluderer sterk overflatespenning og inkompressibilitet. Vann anses som nesten inkompressibelt, noe som betyr at det ikke komprimeres mye under trykk. Samtidig skaper den sterke kohesjonen mellom vannmolekyler, forårsaket av hydrogenbindinger, en sterk overflatespenning.

Ioner i vannet fungerer samtidig som ladningsbærere, noe som gjør at det kan fungere som en pålitelig elektrode.

Sammen gjør disse egenskapene den flytende generatoren i stand til å generere spenningstopper på omtrent 250 volt per dråpe, på nivå med ytelsen til tradisjonelle stive design som bruker metall.

Designet er også holdbart, med tester som viser at generatoren opprettholdt ytelse under varierende forhold, inkludert ulike saltkonsentrasjoner (opp til 500 millimolar natriumklorid), temperaturer, og selv eksponering for utendørs innsjøvann med biofouling —et betydelig problem for marine enheter.

Mens mange energienheter degraderer i tøffe miljøer, fortsetter den flytende generatoren å operere stabilt på grunn av den vannbaserte strukturelle motstandskraften og den dielektriske lagets kjemiske inaktivitet.

Ved testing i høyt saltvann opprettholdt generatoren sin funksjonalitet etter en ukes drift. Og hvis søppel legger seg på den, vil enkel rengjøring gjenopprette maksimal ytelse.

For å ytterligere øke stabiliteten til enheten, utnyttet teamet den høye overflatespenningen i vannet til å designe dreneringshull som lar vannet passere nedover i kun én retning. Så, ved å bruke tyngdekraft og overflatespenning, kan teamet dempe oppbyggingen av forurensninger og holde den ren, dermed skape et selvregulerende system for å fjerne overflødige dråper. På denne måten unngås vannansamling, som ellers kunne redusere ytelsen.

En annen viktig aspekt ved den flytende W-DEG er skalerbarhet. Med en størrelse på 0,3 kvadratmeter demonstrerte forskerne en mye større dråpegenerator enn tidligere rapporterte. Med hver av disse generatorene som produserer ~250 volt per dråpe, kan de drive 50 LED-er samtidig.

I tillegg var systemet i stand til å lade kondensatorer til nyttige spenninger på noen minutter. Teamet pilotert 10 W-DEG-enheter og produserte simulert regn ved bruk av 120 falske regndråpeapparater, deretter ladet kondensatoren til tre volt, og demonstrerte potensialet til å drive trådløse sensorer og små elektroniske enheter.

Med videre utvikling kan disse systemene brukes til å høste fornybar elektrisitet fra innsjøer, reservoarer eller kystområder uten å opptake verdifulle landområder.

«Ved å la vannet selv spille både strukturelle og elektriske roller, har vi låst opp en ny strategi for dråpeelektrisitetsgenerering som er lettvektig, kostnadseffektiv og skalerbar,» sa studiens medforfatter, professor Wanlin Guo. «Dette åpner døren til landfrie hydrovoltaiske systemer som kan komplementere andre fornybare teknologier som sol og vind.»

I regioner som opplever hyppig nedbør, kan den flytende dråpeelektrisitetsgeneratoren tilby en distribuert energiløsning som driver avsidesliggende applikasjoner eller supplerer lokale strømnett.

Sammenlignet med en tradisjonell dråpegenerator, som koster omtrent 210 yuan (ca. $29,50) per kvadratmeter og veier over fire kilogram (ca. 8,818 pund), koster teamets flytende versjon omtrent 106 yuan (mindre enn $15) og veier kun 0,5 kilogram (1,1 pund).

I tillegg til regnvannshøsting, kan enheten ha andre anvendelser takket være dens evne til naturlig å flyte på vannoverflater. For eksempel kan den distribueres i ulike akvatiske miljøer for å drive miljøovervåkingssystemer som sensorer som sporer forurensning, vannkvalitet eller salinitet.

Dens ‘naturintegrerte design’, der det naturlig rikelige materialet brukes som en funksjonell komponent, kan også inspirere nye tilnærminger innen økobaserte teknologier.

Men før enheten kan distribueres i stor skala, er det utfordringer som må løses først. Den varierte størrelsen og hastigheten til faktiske regndråper betyr at ytelsen til enheten kan påvirkes. I tillegg kreves ytterligere ingeniørarbeid for å sikre robusthet og holdbarhet av store dielektriske filmer under dynamiske utendørs forhold.

Til tross for disse utfordringene har laboratorieresultatene vært lovende, og demonstrasjonen av en effektiv, holdbar og skalerbar prototype markerer et viktig steg mot praktiske anvendelser av vannintegrert flytende DEG (W-DEG).

Investere i vanninnsamlings-teknologi

Xylem (XYL ) er et globalt vannteknologiselskap som fokuserer på smart vannforvaltning, involvert i integrering av sensorer, overvåking og vannstrømsystemer.

Dets Water Infrastructure-segment tilbyr produkter som behandlingsutstyr, vann, avløpsvann og stormvannspumper og -kontroller. Applied Water-segmentet dekker produkter inkludert pumper, ventiler, varmevekslere og dispensasjonsutstyr, mens Measurement & Control Solutions (MCS)-segmentet utvikler avanserte løsninger for intelligent bruk av kritiske ressurser, samt analytisk instrumentering for vannprøving. Integrated Solutions & Services-segmentet leverer utstyrssystemer for industrier og kommuner.

Xylem utnytter også AI for å overvåke vannstrøm og oppdage lekkasjer i sanntid. Dette gjør at problemer kan oppdages i tide og deretter fikses raskt, noe som sparer vann og senker kostnader.

For tredje kvartal 2025 rapporterte Xylem «sterk gjennomføring og etterspørsel» som resulterte i en total omsetning på $2,3 milliarder. Nettoinntekten var $227 millioner, eller $0,93 per aksje, med marginen som falt 30 basispunkter til 10 %, og justert nettoinntekt på $333 millioner, eller $1,37 per aksje.

Siste Xylem (XYL) aksjenyheter og utviklinger

Konklusjon

Jordens livskilde, vann, er en kraftig form for fornybar energi. En lovende måte å utnytte dette potensialet på er gjennom hydrovoltaisk teknologi. Forskere som utforsker hvordan man kan konvertere vannets enkle bevegelse og interaksjon til brukbar elektrisk kraft har drevet innovasjoner innen dråpebasert elektrisitetsgenerering, som utnytter regndråper som faller naturlig fra himmelen og er helt gratis.

De nyeste flytende dråpegeneratorene peker mot en fremtid med fornybar energi, hvor vannintegrerte, lavkostløsninger kan drive sensorer, fjernsystemer og til og med mikronett, samtidig som de forblir i harmoni med naturen.

Referanser

1. Yin, J., Zhou, J., Fang, S. & Guo, W. Hydrovoltaic Energy on the Way. Joule 4, 1852–1855 (2020). https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.07.015
2. Xu, W., Zheng, H., Liu, Y. et al. En dråpebasert elektrisitetsgenerator med høy umiddelbar effekt-tetthet. Nature 578, 392–396 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-1985-6
3. Li, Z., Wang, X., Liu, Y., et al. En dråpebasert elektrisitetsgenerator for stor-skala anvendelser. Cell Reports Physical Science 3, 100521 (2022). https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100521
4. Li, Z., Chen, S., Fu, Y. & Li, J. Effektivitetsoptimalisering for stor-skala dråpebaserte elektrisitetsgenerator-arrays med integrerte mikrosuperkondensator-arrays. Nature Communications 16, 8530 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-64289-y
5. Deng, W., Wang, Z., Wang, J., Hu, T., Wang, X., Li, X., Yin, J. & Guo, W. Flytende dråpeelektrisitetsgenerator på vann. Natl Sci Rev. 12, 11 (2025). https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf318