Hidrovoltaikler – Buharlaşmadan Elektrik Üretimi

Yeni araştırmalar, nanoskopik cihazların sıvı buharlaşmasından elektrik elde etmek için kullanılabileceğini gösteriyor ve henüz tam olarak kullanılmamış büyük bir enerji potansiyelini ortaya koyuyor.

Buharlaşma doğal bir süreçtir. Basit bir ifadeyle, bir sıvının yüzeyinde gaz haline dönüşürken gerçekleşen bir buharlaşma biçimidir. Çevremizde her yerde bulunur, ancak ona pek dikkat etmeyiz. 

İlginç bir şekilde, Dünya’ya ulaşan güneş enerjisinin yaklaşık yarısı buharlaşma süreçlerini tetikler. Küresel su döngüsünde enerjinin sürekli değişimini sağlayan buharlaşma, henüz kullanılmamış yenilenebilir bir enerji kaynağıdır, çalışmaya göre.

Su, gezegenimizin yüzeyinin %70’inden fazlasını kapladığı için bol miktarda bulunur ve kimyasal, termal ve kinetik enerji biçimlerinde tonlarca enerji içerir, ancak bu enerjinin çok azı kullanılmaktadır. Göller ve rezervuarlardan doğal buharlaşmanın toplam güç üretim potansiyeline bakıldığında, yalnızca ABD’nin 325 GW’lık bir potansiyele sahip olduğu tahmin edilmektedir. Bu, 2015’teki ABD elektrik enerjisi üretim oranının %69’undan fazlasını temsil etmektedir, çalışmada belirtiliyor.

Bu nedenle, son yıllarda araştırmacılar buharlaşmanın enerji potansiyelini yakalamaya çalışıyorlar. Bu, kendinden güç üreten jeneratörler, hibrit sistemler ve tandem cihazlar gibi birçok cihaz aracılığıyla araştırılıyor. Yıllar içinde yapılan araştırmalar, özellikle nanomalzemeler ve nanoteknolojideki ilerlemelerle birlikte, buharlaşma odaklı hidrovoltaik cihazlara büyük ilgi göstermiştir.

Bunun için, suyla etkileşimde nanoyapılı malzemelerin elektrik üretebilmesini sağlayan HV etkisine göz atalım. Buradaki su damlacıklar, nem, sıvı ya da buharlaşma şeklinde olabilir. HV etkisinde, buharlaşma bu cihazların içindeki nano kanallarda sürekli bir akış üretir. Bu etki, bitkilerin mikro kapillerlerinde de görülür; burada su taşınımı kapiler basınç ve doğal buharlaşmanın birleşimiyle gerçekleşir.

Bu HV etkisinden sorumlu olduğu düşünülen dört mekanizma vardır: akış (streaming), sahte akış (pseudo‑streaming), iyon gradyan difüzyonu ve elektron sürükleme etkisi. Hidrovoltaik etki, su enerjisinin hasadı konusundaki teknik yetenekleri potansiyel olarak genişletir ve kendinden güç üreten cihazların yaratılmasını mümkün kılar. 

Şimdi, İsviçre merkezli kamu araştırma üniversitesi EPFL (İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü Lausanne) araştırmacıları, İsviçre Ulusal Bilim Vakfı (SNSF) tarafından Kore‑İsviçre Bilim ve Teknoloji İşbirliği Fonu ve İsviçre Hükümeti Mükemmellik Bursu aracılığıyla sağlanan fon desteği aldı. EPFL’nin deneysel tesisleri, Interdisciplinary Centre for Electron Microscopy (CIME) ve Center for MicroNanoTechnology (CMi), saf suya göre daha yüksek iyon konsantrasyonuna sahip sıvı buharlaşmasından güç elde etme çalışmalarına da katılıyor.

Gerçek şu ki hidrovoltaik cihazlar zaten mevcut, ancak nanoskopik ölçekte HV üretimini yöneten fiziksel fenomenler hakkında çok az şey biliniyor. Ayrıca, koşulların işlevsel anlaşılmasında eksiklik var; bu çalışma bunu düzeltmeyi amaçlıyor. 

Bu ayın başında Cell Press dergisi Device’da yayınlanan Laboratuvarı Nanobilim Enerji Teknolojisi (LNET) çalışması “Tuzluk Bağımlı Interfacial Fenomenler Hidrovoltaik Cihaz Optimizasyonuna Yönelik” başlıklı çalışma, Giulia Tagliabue ve Tarique Anwar tarafından yürütülmüştür.

Çalışma, sıvı akışlarını, iyon akışlarını ve katı‑sıvı etkileşimlerinden kaynaklanan elektrostatik etkileri belirlemek için çoklu fizik modellemesi denemiş ve HV cihazlarını optimize etmeyi hedeflemiştir.

LNET’in mühendislik okulunun başkanı Tagliabue’ye göre, bu yeni ve yüksek kontrol platformu sayesinde hidrovoltaik fenomenleri nicel olarak ölçen ilk çalışmadır. Bu hidrovoltaik fenomenler, çeşitli interfacial etkileşimlerin önemini göstererek ölçülmüştür. 

Bu süreçte ekip, hidrovoltaik cihazların geniş bir tuzluluk aralığında çalışabilme yeteneği keşfetti. Tagliabue, bu bulgunun yüksek derecede saf suyun optimum performans için gerekli olduğu yönündeki önceki inancı çürüttüğünü belirtti.

Çoklu Fizik Modeli

Son zamanlarda, nanoskopik ölçekte mikro yapılandırılmış malzemelerde buharlaşma‑tahrikli akışların incelenmesi, yenilenebilir veya yeşil enerji üretmek için yeni bir yol ortaya koymuştur; bu yol, termal enerjiyi elektrokinetik bir yol üzerinden elektrik enerjisine dönüştürmektir. Performans iyileştirmeleri burada elektrot temaslarının optimizasyonu ile yönlendirilmektedir. 

Ancak, modelleme araçlarının eksikliği ve sistemin geometrik ve kimyasal özelliklerine ilişkin sorular, bu yeni ortaya çıkan teknoloji olan Hidrovoltaik (HV) cihazlarının performansını ve uygulama alanını sınırlamaktadır; sürdürülebilir enerji üretimi için.

Bu yüzden araştırmacılar, daha önce keşfedilmemiş yüzeyi ortaya çıkarmak için silikon nanopiller (Si NPs) düzenli dizilerini kullanan nicel bir çoklu fizik modeli geliştirdiler. Özellikle, çalışma, iyon konsantrasyonu ve iyon mobilitesiyle ilişkili yüzey yükünün, açık devre gerilimi (VOC) içinde birden fazla yerel maksimumu yönlendirdiğini ve ideal koşulların düşük konsantrasyon beklentilerinden farklı olduğunu buldu.

Ayrıca, yapısal asimetriler elektrostatik bir potansiyel üretebilir ve HV performansını artırabilir. Üstelik, çalışma, birçok monovalent katyon için iyon adsorpsiyonu ve yük tersine çevrilmesini doğruluyor; bu da cihazların yüksek konsantrasyonlarda bile çalışabilmesini sağlıyor. 

Araştırma ekibi tarafından geliştirilen HV cihazı, p‑tipi Si wafer üzerine işlenmiş santimetre ölçeğinde düzenli Si NP dizilerinden oluşmaktadır. Ekip, kolloidal litografi ve metal‑yardımlı kimyasal aşındırma (MACE) kombinasyonunu kullanarak NP’lerin altıgen dizisinin aralığını sabit tutarken, uzunluk ve çaplarını sırasıyla 1.23–4.4 µm ve 420–560 nm aralığında değiştirdi. Si NP boyutlarını değiştirerek nano kanal geometrisini ve katı‑sıvı yüzey alanını doğrudan kontrol edebildiler.

Bu çalışmadaki hidrovoltaik cihaz, nanosphere kolloidal litografi tekniğinin ilk uygulamasını temsil ediyor; bu sayede araştırmacılar, hassas aralıklarla yerleştirilmiş Si NP’lerin altıgen ağını oluşturabildi. Bu silikon nanopiller arasındaki boşluklar, sıvıların buharlaşması için mükemmel bir geçiş sağladı. Bu da akışın nano‑konfinman etkilerini ve katı‑sıvı temas alanını daha iyi anlamak için ince ayar yapılabilir.

LNET’te doktora öğrencisi olan Anwar, tuzlu çözeltilere sahip çoğu akışkan sistemin pozitif ve negatif iyonların eşit sayıda olduğunu açıkladı. Ancak, sıvıyı bir nano kanala sınırlayarak sadece “yüzey yüküne zıt kutuplu iyonları” elde edebiliyoruz. Bu yüzden sıvının nano kanaldan akmasına izin verildiğinde akım ve gerilim üretebiliyoruz, diye ekledi.

HV cihazlarında gerilim ve akım üretiminin temel mekanizmalarını anlamak, katı‑sıvı arayüz özellikleri ve sıvı nano‑konfinmanı (nano kanal geometrisi) üzerinde kontrol gerektirir.

Sonuç olarak, çalışma 0.1 M’de 8 µW/cm² yüksek bir güç yoğunluğu çıktısı gösterdi; bu, musluk suyu ile çalışan cihazların güç çıktısına benzer ancak “daha önce rapor edilen iki kat daha yüksek konsantrasyonlar” ile elde edildi. Bu, HV sistemlerinin tuzluluk ölçeği boyunca daha geniş bir uygulanabilirliğe yol açıyor; optimum çalışma koşulları farklı interfacial fenomenlerle belirleniyor.

Tagliabue, nanocihazın yüzey yükünün kimyasal dengesinin, HV cihazlarının tuzluluk ölçeği boyunca çalışmasını genişletmek için kullanılabileceğini açıkladı. Yani, sıvı iyon konsantrasyonu arttıkça, nanocihazın yüzey yükü de artar; bu da “daha büyük sıvı kanalları kullanırken daha yüksek konsantrasyonlu sıvılarla çalışmamıza” izin verir. Bu, sadece saf suyla değil, musluk suyu ya da deniz suyu ile de cihaz üretimini kolaylaştırır, dedi.

Bu şekilde, çalışma buharlaşma‑tahrikli hidrovoltaik (EDHV) cihazlarını optimize etmek için anahtar bir içgörü ve tasarım aracı sunduğunu ve bu kendinden güç üreten sistemler için daha geniş uygulama fırsatlarına işaret ettiğini savunuyor.

Çalışma, açık devre gerilimi (VOC) performans ölçütünün buharlaşma oranının artırılmasıyla geliştirilebileceğini belirtiyor. Yüzey yükü ve nano‑konfinmanın geometrisine bağlı olarak, buharlaşma oranı 5 kat artırıldığında VOC iki katına çıkabilir; bu da gücün dört katına kadar artırılabileceği anlamına geliyor. 

Bu durum, akım akışının artmasıyla ilgili ve doğrulanması için bu cihazlardaki akışkan dinamikleri üzerine daha derin bir bilgi gerektirecek.

Hidrovoltaik Cihazların Heyecan Verici Potansiyel Uygulamaları

Su buharı dünyada her yerde bulunur; bu da özellikle elektrik üretimi ve küresel enerji kıtlığının hafifletilmesi açısından büyük bir fırsat sunar. Bunun için hidrovoltaik cihazlar, asimetrik bir yapı inşa etmek gibi farklı yollarla enerji çıkarabilir.

Ancak, güç üretimi sıvının türü ve çözelti içindeki çözünen madde konsantrasyonu gibi özelliklerine bağlıdır. Bunun nedeni, HV etkisinde elektrik enerjisinin, sıvı‑katı arayüzünde oluşan elektrik çift tabakası (EDL) nedeniyle biriken yük taşıyıcılarıyla bağlantılı olmasıdır.

Bu zorluklara rağmen, hidrovoltaik cihazların geniş bir sıcaklık ve nem aralığında sürekli buharlaşma sağlaması nedeniyle büyük bir potansiyeli vardır. Bu da HV cihazlarını, güç kaynağı, her hava koşulunda enerji üretimi ve su toplama ve tuzdan arındırma gibi birçok heyecan verici uygulama için uygun kılar.

Çalışma, tatlı su koşullarında EDL çakışmasının düşük toplam yüzey yükü ve yüksek konfinman (küçük nano kanal boyutu) altında gerçekleşebileceğini buldu. Yine de, yüzey alanı veya yük artırıldığında daha büyük nano kanal boyutları da mümkün hale geliyor. 

Deniz suyu koşullarında, yüzey yükünün kontrol edilmesiyle 100 nm’den büyük gözenek çapı (Dp değerleri >100 nm) optimum bir durum yaratabilir; bu da nanometre ölçeğinde geometrik konfinmanın önlenebileceğini ve cihazların ölçeklenebilirliğini kolaylaştırır. 

Yüksek tuzluluk seviyelerinde ise, katı‑sıvı arayüz ve başlangıç yüzey yükünün minimize edilmesiyle yük tersine çevrilebilir. Ancak, bu kadar yüksek konsantrasyonlarda uzun vadeli çalışma iyon adsorpsiyonu ve tuz kristalleşmesi nedeniyle zorlu olabilir. Bu durum, yüzey ve nano yapı geometrisinin özelliklerini doğrudan etkiler; bu yüzden araştırmacılar daha fazla araştırma gerektiğini belirtiyor.

Çalışmanın araştırmacıları, bu cihazın çeşitli potansiyelini, kendilerine hibe sağlayan kuruluşların desteğiyle, bu yeni teknolojiyi anlamak ve analiz etmek için keşfetmeyi umuyor.

Destek veren kuruluşlardan biri olan İsviçre Ulusal Bilim Vakfı (SNSF), federal hükümet tarafından yetkilendirilmiş olup, buharlaşmadan enerji elde etmeyi ve büyük ve küçük ölçeklerde atık ısı geri kazanımı ve yenilenebilir enerji üretimi için tamamen “yeni bir paradigma” geliştirmeyi hedefliyor. Bu, Orta Avrupa’nın en büyük gölü olan Cenevre Gölü’nde gerçek dünya koşullarında hidrovoltaik üretimini izlemek için bir prototip modülü içeriyor.

SNSF, yıllardır enerji üretimi, depolama, dağıtım ve yönetim, ayrıca verimlilik konularında projeleri destekleyerek gelecekteki kullanım için bilgi ve uzmanlık geliştirmeye katkı sağlıyor.

Tagliabue, 2022 yılında SNSF Başlangıç Hibesi aldı; bu hibeyle beş yıl boyunca 1.8 milyon CHF sağlandı. Bu fon, ekibin “yenilenebilir enerji üretimi için hidrovoltaik cihazların nano‑mühendisliğini genişletmemize” yardımcı oluyor, dedi Tagliabue.

Şu anda şöyle dedi:

“Gerekli temel anlayışı, modelleme araçlarını ve mühendislik stratejilerini oluşturarak, bu proje buharlaşmayı büyük ve küçük ölçeklerde yaygın, güvenli ve sürekli bir yenilenebilir enerji kaynağı haline getirme konusunda yıkıcı bir katkı sağlayacak.” 

HV cihazları büyük bir fırsat sunar ve sıvı olduğu sürece, hatta ter gibi, her yerde çalışabildikleri için sensörlerde de kullanılma potansiyeline sahiptir. Bu, sağlık ve fitness giyilebilirlerinden akıllı televizyonlara kadar her şeyi kapsar.

Tagliabue, ayrıca ışık ve fototermal (elektromanyetik radyasyonla ilgili) etkilerin, HV sistemlerindeki yüzey yüklerini ve buharlaşma oranlarını kontrol etmek için nasıl kullanılabileceğini anlamaya da ilgi duyuyor.

Son olarak, araştırmacılar HV sistemleri ile temiz su üretimi arasında bir simbiyoz gördüklerini belirtiyor; Anwar, doğal buharlaşmanın tuzdan arındırma süreçlerinde nasıl kullanıldığını vurguluyor. Buharlı bir yüzeyden çıkan buharın yoğunlaştırılması, tuzlu sudan tatlı su elde edilmesini sağlar.

“Şimdi, bir HV sistemini hem temiz su üretmek hem de aynı anda elektrik üretmek için kullanabileceğinizi hayal edebilirsiniz.” 

– Anwar

Sonuç 

Enerji ve çevre sorunları sürekli artarken, verimli, esnek ve çevre dostu çözümlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu noktada hidrovoltaik cihazlar, yaygın su buharlaşmasını kullanarak elektrik enerjisi üretmeleriyle büyük bir yardımcı olabilir. 

Ancak bu yenilik, zorluklar olmadan gelmiyor. Üretilen güç, pratik uygulama gereksinimlerini karşılamaktan uzaktır; gerçek dünya koşullarında istikrar ve dayanıklılık belirsizlikleri vardır ve büyük ölçekli bütünleşik uygulamalara ulaşmada engeller vardır. Bu engellere rağmen, hidrovolkanik malzeme ve cihaz araştırmaları hâlâ ilk aşamalarındadır ve geniş çapta kullanım için daha gelişmiş teknolojilere ve daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır.

Basitçe söylemek gerekirse, hidrovoltaik cihazların göz ardı edilemeyecek büyük avantajları vardır. Karmaşık, pahalı ve çevreye zarar veren çözümlere kıyasla, bu gelecek için yeni ve umut verici bir güç üretim yöntemi sunar. Zamanla, hidrovoltaik cihazların uygulanabilir ve geniş bir endüstri haline gelmesi beklenmektedir.

Yatırım yapabileceğiniz en iyi on yenilenebilir enerji hissesinin listesi için buraya tıklayın.