Nanodispozitivele generează energie din evaporarea apei de la robinet și a apei de mare

Evaporarea este un proces natural atât de omniprezent încât majoritatea dintre noi îl considerăm de la sine înțeles. De fapt, aproape jumătate din energia solară care ajunge pe Pământ are ca rezultat evaporare. Din 2017, cercetătorii lucrează pentru a valorifica potențialul energetic al evaporării prin efectul hidrovoltaic (HV), care permite recoltarea de energie electrică atunci când un lichid este trecut peste suprafața încărcată a unui nanodispozitiv. Evaporarea creează un flux continuu în nanocanalele din interiorul acestor dispozitive, care acționează ca mecanisme pasive de pompare. Acest efect este observat și în capilarele minuscule ale plantelor, unde transferul de apă are loc datorită unei combinații de presiune capilară și evaporare naturală.

Deși există dispozitive hidroelectrice în prezent, există foarte puțină înțelegere funcțională a condițiilor fizice și a fenomenelor care guvernează producția de energie de înaltă tensiune la scară nanometrică. Este o lacună de informare, spune Giulia Tagliabue, șefa Laboratorului de Nanoștiință pentru Tehnologia Energetică (L.Net) la Colegiul de Inginerie, iar doctorandul Tariq Anwar a vrut să o completeze. Ei au profitat de o combinație de experimente și modelare multifizică pentru a caracteriza fluxurile de fluide, fluxurile de ioni și efectele electrostatice rezultate din interacțiunile solid-lichid, cu scopul de a îmbunătăți dispozitivele de înaltă tensiune.

„Datorită noii noastre platforme, extrem de controlate, acesta este primul studiu care cuantifică aceste fenomene fotovoltaice prin evidențierea importanței diferitelor interacțiuni interfațiale. Dar în acest proces, am ajuns și la o constatare cheie: că dispozitivele fotovoltaice pot funcționa la scară largă. .” gamă largă de salinitate, ceea ce contrazice înțelegerea anterioară că apa de înaltă puritate este necesară pentru cea mai bună performanță”, spune Tagliabue.

Studiul LNET are Publicat recent Într-un dispozitiv de presă a magaziei celulare.

Un model de detector multifizic

Dispozitivul cercetătorilor reprezintă prima aplicare hidroelectrică a unei tehnici numite litografie a nanosferei coloidale, care le-a permis să creeze o rețea hexagonală de nanopiloni de siliciu distanțați cu precizie. Distanța dintre nanoploni a creat canale ideale pentru evaporarea probelor lichide și poate fi reglată fin pentru a înțelege mai bine efectele izolării lichidului și zona de contact solid/lichid.

„În majoritatea sistemelor fluide care conțin soluții de sare, aveți un număr egal de ioni pozitivi și negativi. Cu toate acestea, când limitați fluidul la un nanocanal, vor rămâne doar ionii cu polaritate opusă sarcinii de suprafață”, explică Anwar. „Aceasta înseamnă că dacă permiteți lichidului să curgă prin nanocanal, veți genera un curent și o tensiune.”

„Acest lucru se datorează descoperirii noastre cheie că echilibrul chimic al sarcinii de suprafață a nanodispozitivelor poate fi exploatat pentru a extinde funcționarea dispozitivelor hidroelectrice prin intermediul unui salinometru”, adaugă Tagliabue. „De fapt, pe măsură ce crește concentrația de ioni lichizi, crește și sarcina de suprafață a nanodispozitivului. Drept urmare, putem folosi canale de fluide mai mari în timp ce lucrăm cu lichide cu concentrație mai mare. Acest lucru face mai ușoară fabricarea dispozitivelor pentru utilizarea cu apă de la robinet sau apa de mare.” „Spre deosebire de apa pură”.

Apă, apă peste tot

Deoarece evaporarea poate avea loc continuu într-o gamă largă de temperaturi și umiditate – și chiar și pe timp de noapte – există multe aplicații potențiale interesante pentru dispozitive de înaltă tensiune mai eficiente. Cercetătorii speră să exploreze această posibilitate cu sprijinul Fundației Naționale pentru Știință Elvețiană Începeți bursacare își propune să dezvolte „o paradigmă complet nouă pentru recuperarea căldurii reziduale și generarea de energie regenerabilă la scară mare și mică”, inclusiv un prototip în condiții reale de pe Lacul Geneva.

Și, deoarece dispozitivele de înaltă tensiune pot fi, teoretic, alimentate oriunde există lichid – sau chiar umiditate, cum ar fi transpirația -, ele ar putea fi, de asemenea, utilizate pentru alimentarea senzorilor pentru dispozitivele conectate, de la televizoare inteligente la articole de sănătate și fitness. Cu expertiza LNET în sistemele de colectare și stocare a energiei fotovoltaice, Tagliabue este, de asemenea, dornic să învețe cum efectele luminii și fototermale pot fi utilizate pentru a controla încărcările de suprafață și ratele de evaporare în sistemele de înaltă tensiune.

În cele din urmă, cercetătorii văd și sinergii importante între sistemele de înaltă tensiune și generarea de apă curată.

„Evaporarea naturală este folosită pentru a conduce procesele de desalinizare, în care apa dulce poate fi recoltată din apa sărată prin condensarea aburului generat de suprafața care se evaporă. Acum, vă puteți imagina că folosiți un sistem de înaltă tensiune pentru a produce apă curată și pentru a folosi energie electrică în același timp. timp”, explică Anwar.