Enerhiya
HydroVoltaics – Paghuli ng Kuryente mula sa Pag-evaporate
Idagdag ang Securities.io sa mga gusto mong mapagkunan sa Google
Ipinapakita ng bagong pananaliksik na maaaring gamitin ang mga nanoscale na aparato upang mangolekta ng kuryente mula sa pag-evaporate ng likido, na nagbubunyag ng malaking potensyal ng enerhiya na hindi pa lubos na nagagamit.
Ang pag-evaporate ay isang likas na proseso. Sa simpleng salita, ito ay isang anyo ng pag-vaporize na nangyayari sa ibabaw ng likido habang ito ay nagiging gas. Naroroon ito sa paligid natin, ngunit hindi natin ito binibigyang pansin.
Kagiliw-giliw, halos kalahati ng enerhiyang solar na umaabot sa mundo ay nagdudulot ng mga prosesong evaporative. Ang pag-evaporate, na nagpapahintulot ng patuloy na palitan ng enerhiya sa pandaigdigang siklo ng tubig, ay isang renewable na pinagmumulan ng enerhiya na kasalukuyang hindi pa nagagamit, ayon sa pag-aaral.
Ang tubig, na sagana dahil sumasaklaw ito ng higit sa 70% ng ibabaw ng ating planeta, ay naglalaman ng napakaraming enerhiya sa anyo ng kemikal, thermal, at kinetic na enerhiya, ngunit kakaunti lamang ang napapakinabangan. Pagdating sa kabuuang potensyal ng paglikha ng kuryente mula sa natural na pag-evaporate ng mga lawa at reservoir, tinatayang may potensyal na 325 GW ang Estados Unidos lamang. Ito ay higit sa 69% ng rate ng produksyon ng elektrisidad ng US noong 2015, ayon sa pag-aaral.
Kaya, sa nakaraang maraming taon, nagsusumikap ang mga mananaliksik na samantalahin ang potensyal ng enerhiya mula sa pag-evaporate. Ito ay sinusuri sa pamamagitan ng iba’t ibang aparato, tulad ng mga self-powered na generator, hybrid na sistema, at tandem na aparato. Ang pananaliksik sa mga taon ay nagdala ng malaking atensyon sa mga hydrovoltaic na aparato na pinapagana ng pag-evaporate, lalo na sa pag-unlad ng mga nanomaterial at nanoteknolohiya.
Para diyan, tingnan natin ang HV effect, na nagpapahintulot sa mga nanostructured na materyales na lumikha ng kuryente sa pakikipag-ugnayan sa tubig. Ang tubig dito ay maaaring maging patak, kahalumigmigan, likido, o pag-evaporate. Sa HV effect, ang pag-evaporate ay nagdudulot ng patuloy na daloy sa loob ng mga nanochannel ng mga aparatong ito. Nakikita rin ang epekto na ito sa mga microcapillary ng halaman, kung saan ang pagdaloy ng tubig ay nangyayari dahil sa kombinasyon ng capillary pressure at natural na pag-evaporate.
Apat na mekanismo ang pangunahing itinuturing na responsable para sa HV effect: streaming, pseudo-streaming, ion gradient diffusion, at ang electron drag effect. Ang hydrovoltaic effect ay posibleng nagpapalawak ng teknikal na kakayahan sa pag-ani ng enerhiya mula sa tubig at nagbibigay-daan sa paglikha ng mga self-powered na aparato.
Ngayon, ang mga mananaliksik sa Swiss-based na pampublikong unibersidad ng pananaliksik na EPFL (Swiss Federal Institute of Technology Lausanne) ay nakatanggap ng suporta sa pondo mula sa Swiss National Science Foundation (SNSF) sa pamamagitan ng Korean-Swiss Science and Technology Cooperation Fund at Swiss Government Excellence Fellowship. Ang mga pasilidad na eksperimental ng EPFL, ang Interdisciplinary Centre for Electron Microscopy (CIME) at Center for MicroNanoTechnology (CMi), ay kasali rin sa pag-ani ng kuryente mula sa pag-evaporate ng likido na may mas mataas na konsentrasyon ng mga ion kaysa sa nakikita sa purified na tubig.
Ang katotohanan ay umiiral na ang mga hydrovoltaic na aparato, subalit kaunti pa ang nalalaman tungkol sa pisikal na phenomena na namamahala sa HV production sa nanoscale. May kakulangan din sa functional na pag-unawa sa mga kondisyon, na layuning itama ng pag-aaral na ito.
Inilathala nang mas maaga ngayong buwan sa journal ng Cell Press na Device, ang pag-aaral mula sa Laboratory of Nanoscience for Energy Technology (LNET) na tinatawag na “Salinity-dependent interfacial phenomena toward hydrovoltaic device optimization” ay isinagawa nina Giulia Tagliabue at Tarique Anwar.
Ang pag-aaral ay nag-eksperimento gamit ang multiphysics modeling upang tukuyin ang daloy ng likido, daloy ng ion, at mga electrostatic effect dulot ng solid-liquid interactions, na may layuning i-optimize ang mga HV device.
Ayon kay Tagliabue, na pinuno ng LNET sa School of Engineering, ito ang unang pag-aaral na nagkakuwenta ng hydrovoltaic phenomena salamat sa kanilang bagong at lubos na kontroladong platform. Ang mga hydrovoltaic phenomena ay sinusukat sa pamamagitan ng pagpapakita ng kahalagahan ng iba’t ibang interfacial interactions.
Sa prosesong ito, natuklasan ng koponan ang isang malaking natuklasan tungkol sa kakayahan ng mga hydrovoltaic device na gumana sa malawak na saklaw ng salinidad. Ito, ayon kay Tagliabue, ay sumasalungat sa dating paniniwala na kinakailangan ang lubos na purified na tubig para sa pinakamainam na pagganap.
Ang Multiphysics na Modelo
Kamakailan, ang mga pag-aaral ng pagdaloy ng likido na pinapagana ng pag-evaporate sa mga materyales na microstructured sa nanoscale ay nagbigay daan sa isang bagong paraan upang lumikha ng renewable o green na enerhiya, na kung saan ay ang pag-convert ng thermal na enerhiya tungo sa elektrikal na enerhiya sa pamamagitan ng electrokinetic pathway. Ang mga pagbuti kaugnay ng performance dito ay pinangungunahan ng pag-optimize ng mga electrode contact.
Gayunpaman, ang kakulangan ng mga modeling tool at mga tanong tungkol sa geometrical at chemical na katangian ng sistema ay naglilimita sa parehong performance at saklaw ng aplikasyon ng umuusbong na teknolohiyang ito, ang Hydrovoltaic (HV) devices, para sa sustainable na paglikha ng enerhiya.
Kaya, nag-develop ang mga mananaliksik ng isang quantitative multiphysics model at gumamit ng mga ordered array ng silicon nanopillars (Si NPs) na nagdala sa ibabaw ng dati pang hindi nasusuri. Kapansin-pansin, natuklasan ng pag-aaral na ang surface charge, na nakadepende sa konsentrasyon ng ion kasama ang mobility ng mga ion, ang nagdidikta ng maraming lokal na maximum sa open-circuit voltage (VOC), kung saan ang mga ideal na kondisyon ay lumilihis mula sa tradisyunal na inaasahan ng mababang konsentrasyon.
Dagdag pa, ang mga structural asymmetry ay maaaring lumikha ng electrostatic potential na nagpapahusay sa performance ng HV. Bukod pa rito, pinatutunayan ng pag-aaral ang ion adsorption at inversion ng charge para sa maraming monovalent cations, na nagpapahintulot sa mga aparatong ito na gumana kahit sa mataas na konsentrasyon.
Ang HV device na binuo ng research team ay binubuo ng regular na arrays ng Si NPs na may sukat na sentimetro sa p-type Si wafer. Gumamit ang koponan ng kombinasyon ng colloidal lithography at metal-assisted chemical etching (MACE) upang itakda ang pitch ng hexagonal na array ng NPs habang binabago ang kanilang haba at diyametro sa saklaw na 1.23–4.4 μm at 420–560 nm, ayon sa pagkakabanggit. Sa pamamagitan ng pagbabago ng sukat ng Si NP, nagawang kontrolin nila nang direkta ang geometry ng nanochannel at ang solid-liquid surface area ayon sa pangangailangan.
Ang hydrovoltaic device sa pag-aaral na ito ay kumakatawan sa unang aplikasyon ng nanosphere colloidal lithography technique, na nagpapahintulot sa mga mananaliksik na bumuo ng hexagonal network ng eksaktong nakapuwang na Si NPs. Ang mga puwang sa pagitan ng mga silicon nanopillars ay lumikha ng perpektong daanan para sa pag-evaporate ng mga likido. Ito ay maaaring higit pang i-tune nang maayos upang mas maunawaan ang mga epekto ng fluid confinement at ng solid/liquid contact area.
Ipinaliwanag ni Anwar, na isang PhD student sa LNET, na karamihan sa mga fluidic system na may saline solutions ay may pantay na bilang ng positibo at negatibong ion. Ngunit sa pamamagitan ng pagkonfine ng likido sa isang nanochannel, makakakuha lamang tayo ng mga “ion na may polarity na kabaligtaran ng surface charge.” Kaya, sa pagpapadaloy ng likido sa nanochannel, makakalikha tayo ng kuryente at boltahe, dagdag pa niya.
Ang pag-unawa sa mga pangunahing mekanismo ng pagbuo ng boltahe at kuryente sa mga HV device ay nangangailangan ng kontrol sa mga katangian ng solid-liquid interface at ng liquid nanoconfinement, na kung tawagin ay geometry ng nanochannel.
Sa konklusyon, ipinakita ng pag-aaral ang mataas na power density output na 8 μW/cm2 sa 0.1 M, gamit ang power output na katulad ng sa mga device na pinapatakbo ng tubig mula sa gripo ngunit may “dalawang order ng magnitude na mas mataas na konsentrasyon” kaysa dati. Ito ay nagbubukas ng daan para sa mas malawak na aplikasyon ng mga HV system sa iba’t ibang antas ng salinidad, kung saan ang optimal na operating conditions ay tinutukoy ng mga natatanging interfacial phenomena.
Ayon kay Tagliabue, ang chemical equilibrium para sa surface charge ng nanodevice ay maaaring samantalahin upang palawakin ang operasyon ng mga HV device sa buong saklaw ng salinidad. Kaya, habang tumataas ang konsentrasyon ng ion sa likido, tumataas din ang surface charge ng nanodevice, na nagpapahintulot sa atin na “gumamit ng mas malalaking fluid channel habang nagtatrabaho sa mga likidong may mas mataas na konsentrasyon. Mas pinadadali nito ang paggawa ng mga device na magagamit sa gripo o tubig-dagat, kumpara sa tanging purified na tubig,” sabi ni Tagliabue.
Sa ganitong paraan, ipinapahayag ng pag-aaral na nag-aalok ito ng mahalagang insight at isang design tool para sa pag-optimize ng evaporation-driven hydrovoltaic (EDHV) devices, kasabay ng pagtuturo sa mas malawak na oportunidad sa aplikasyon para sa mga self-powered system na ito.
Ayon sa pag-aaral, ang performance metric ng kanilang open-circuit voltage (VOC) ay maaaring mapabuti sa pamamagitan ng pagpapataas ng rate ng pag-evaporate. Depende sa surface charge at geometry ng nanoconfinement, maaaring doblehin ang VOC sa pamamagitan ng 5x na pagtaas ng evaporation rate, na nangangahulugang maaaring tumaas ang power hanggang apat na beses.
Ito ay pangunahing dahil sa pagpapahusay ng streaming current ngunit mangangailangan ng mas malalim na kaalaman sa fluid dynamics ng mga aparatong ito upang makumpirma.
Kapanapanabik na Potensyal na Mga Aplikasyon ng mga Hydrovoltaic na Aparato
Ang singaw ng tubig ay naroroon sa lahat ng sulok ng mundo, kaya nag-aalok ito ng malaking pagkakataon, lalo na para sa paglikha ng kuryente at pag-alis ng kakulangan sa pandaigdigang enerhiya. Para dito, maaaring gamitin ang mga hydrovoltaic na aparato upang kunin ang enerhiya sa iba’t ibang paraan, tulad ng pagbuo ng asymmetric na estruktura.
Gayunpaman, ang paglikha ng kuryente ay nakadepende sa mga katangian ng likido, kabilang ang uri nito at konsentrasyon ng solute sa solusyon. Ito ay dahil ang pagbuo ng enerhiyang elektrikal sa HV effect ay konektado sa pag-accumulate ng charge carriers na dulot ng electrical double layer (EDL) na nabubuo sa liquid-solid interface.
Sa kabila ng mga hamong ito, ang mga hydrovoltaic na aparato ay may napakalaking potensyal dahil sa patuloy na pag-evaporate sa malawak na saklaw ng temperatura at halumigmig. Ginagawa nitong handa ang mga HV device para sa maraming kapanapanabik na aplikasyon, kabilang ang power supply, all-weather power generation, at pagkolekta at desalination ng tubig.
Natuklasan ng pag-aaral na para sa kondisyon ng fresh water, ang EDL overlap ay isang pangangailangan na maaaring makamit sa mababang kabuuang surface charge at mataas na confinement, ibig sabihin, maliit na sukat ng nanochannel. Gayunpaman, ang pagtaas ng surface area o charge ay nagpapahintulot sa mas malalaking sukat ng nanochannel.
Sa kondisyon ng tubig-dagat, maaaring makalikha ng optimum sa malaking pore diameter (Dp values >100 nm) sa pamamagitan ng pagkontrol sa surface charge, na nagmumungkahi na ang geometrical confinement sa nanometer scale ay maaaring maiwasan, na nagpapasimple sa scalability ng mga aparatong ito.
Samantala, sa mataas na antas ng salinidad, maaaring gamitin ang charge inversion sa pamamagitan ng pag-minimize ng solid-liquid interface at paunang surface charge. Gayunpaman, ang operasyon sa ganitong mataas na konsentrasyon at sa pangmatagalan ay maaaring maging hamon dahil sa ion adsorption at salt crystallization. Ito ay dahil sa direktang epekto nito sa mga katangian ng surface at geometry ng nanostructure. Kaya’t isinulat ng mga mananaliksik na kailangan ng karagdagang pagsisiyasat.
Umaasa rin ang mga mananaliksik ng pag-aaral na tuklasin ang iba’t ibang potensyal ng aparato, sa suporta ng mga organisasyong nagbigay ng grant, upang maunawaan at masuri ang umuusbong na teknolohiyang ito.
Isa sa mga sumusuportang organisasyon, ang Swiss National Science Foundation (SNSF), na inatasan ng pamahalaang pederal, ay naglalayong samantalahin ang enerhiya mula sa pag-evaporate at bumuo ng ganap na “bagong paradigma para sa waste-heat recovery at renewable energy generation sa malaki at maliit na sukat.” Kabilang dito ang isang prototype module sa totoong sitwasyon sa pinakamalaking lawa sa gitnang Europa, Lake Geneva, upang mangolekta ng datos tungkol sa hydrovoltaic generation sa mga alpine lake.
Matagal nang sumusuporta ang SNSF sa mga proyektong may kaugnayan sa enerhiya upang makatulong sa pag-unlad ng kaalaman at kadalubhasaan para sa hinaharap. Saklaw ng mga proyektong ito ang produksyon ng enerhiya, imbakan, distribusyon at pamamahala, at kahusayan.
Nakatanggap si Tagliabue ng SNSF Starting Grant noong 2022, kung saan CHF 1.8 milyon ang ibinibigay sa loob ng limang taon. Ang pondong ito ay tumutulong sa koponan na “palawakin ang aming pagsisikap tungo sa nanoengineering ng mga hydrovoltaic device para sa renewable energy generation,” sabi ni Tagliabue.
Sinabi niya noong panahong iyon:
“Sa pamamagitan ng pagtatag ng kinakailangang pangunahing pag-unawa, mga modeling tool, at mga estratehiya sa engineering, ang proyektong ito ay magbibigay ng isang mapang-ibabaw na kontribusyon tungo sa paggawa ng pag-evaporate bilang isang malawak, ligtas, at patuloy na renewable energy source para sa parehong malaki at maliit na sukat.”
Ang mga HV device ay nag-aalok ng malaking oportunidad, at dahil maaari silang gumana kahit saan may likido, kahit na pawis, may potensyal din silang magamit sa mga sensor. Saklaw nito ang lahat mula sa health at fitness wearables hanggang sa smart TV.
Interesado pa si Tagliabue na maunawaan kung paano maaaring magamit ang liwanag at photothermal (kaugnay ng electromagnetic radiation) na mga epekto upang kontrolin ang surface charges at mga rate ng pag-evaporate sa mga HV system.
Sa huli, nakikita ng mga mananaliksik ang isang symbiosis sa pagitan ng mga HV system at paglikha ng malinis na tubig, kung saan binigyang-diin ni Anwar kung paano ginagamit ang natural na pag-evaporate para sa mga proseso ng desalination. Ang pag-condense ng vapor na ginawa ng evaporative surface ay nagpapahintulot na makuha ang fresh water mula sa saltwater.
“Ngayon, maaari mong isipin ang paggamit ng isang HV system na parehong lumikha ng malinis na tubig at magsamantala ng kuryente nang sabay.”
– Anwar
Konklusyon
Sa patuloy na pagtaas ng mga problema sa enerhiya at kapaligiran, kailangan ng mga epektibo, flexible, at eco-friendly na solusyon. Dito, ang mga hydrovoltaic na aparato ay maaaring maging napakalaking tulong dahil naglilikha sila ng enerhiyang elektrikal gamit ang laganap na pag-evaporate ng tubig.
Gayunpaman, ang inobasyong ito ay hindi nang walang hamon. Ito ay nagmumukhang kakulangan sa generated power na hindi sapat para sa praktikal na pangangailangan, mga hindi tiyak na katatagan at tibay sa totoong kondisyon, at mga balakid sa pag-abot ng malakihang integrated na aplikasyon. Sa kabila ng mga hadlang na ito, ang teknolohiya at pananaliksik sa mga hydrovolcanic na materyales at aparato ay nasa kanilang unang yugto pa lamang, at kailangan ng mas advanced na teknolohiya at mas maraming pananaliksik para sa kanilang malawak na paggamit.
Sa madaling salita, ang mga hydrovoltaic na aparato ay may malaking mga benepisyo na hindi maaaring balewalain. Kumpara sa mga komplikado, magastos, at nakakasira sa kapaligiran na solusyon, ito ay nag-aalok ng isang bago at pangakong paraan para sa paglikha ng kuryente sa hinaharap. At sa paglipas ng panahon, inaasahang lalago ang mga hydrovoltaic na aparato tungo sa isang viable at malawak na industriya.
