Tyrėjai iš Šveicarijos federalinio technologijos instituto Lozanoje, „EPFL“, Nanomokslų energetikos technologijoms laboratorijos, „LNET“, sukūrė nanoprietaisą, kuris, naudodamas šviesą ir šilumą, geba iš druskingo vandens garavimo generuoti pastovią elektros srovę.
Šis tyrimas išsiskiria tuo, kad šiluma ir šviesa naudojamos ne tik garavimui paspartinti, bet ir jonų judėjimui druskingame vandenyje bei elektronų srautui pačiame nanoprietaise valdyti.
Kas yra hidrovoltinė technologija?
Hidrovoltinė (HV) technologija – tai nauja kryptis, kuria siekiama gaminti elektrą, pasitelkiant vandens sąveiką su specialiomis medžiagomis. Skirtingai nuo įprastų būdų, kai vanduo naudojamas kaip skystis turbinoms sukti, HV efektas remiasi tokiais procesais kaip garavimas ar vandens lašų tekėjimas, taip užtikrinant nenutrūkstamą elektros generaciją.
2024 m. „LNET“ tyrėjai sukūrė nanoskalės HV įrenginį, pagamintą iš silicio nanostulpelių. Tarp šių nanostulpelių susidarančiuose kanaluose vyko skysčio garavimas. Po dvejų metų šis įrenginys jau gali pasiekti didesnę išėjimo galią nei panašios technologijos, be to, leidžia kontroliuoti jame vykstantį jonų ir elektronų srautą.
Šviesos ir šilumos vaidmuo
Šilumos poveikis garavimui yra gerai žinomas – kaitinant vandenį, jo garavimas spartėja. Mokslininkai, tiriantys HV efektą, šią savybę jau seniau naudojo greitesnei elektros gamybai. Tačiau „LNET“ komanda, vadovaujama docentės Giulios Tagliabue, atkreipė dėmesį ir į šviesos vaidmenį šiame procese.
Tyrimuose naudojamas nanoprietaisas pagamintas iš silicio – iš prigimties puslaidininkės medžiagos. Šviesos fotonai sužadina prietaise esančius elektronus, o šiluma dar labiau sustiprina jo paviršiaus neigiamą krūvį.
Prietaisas sudarytas iš trijų atskirų sluoksnių: garavimo, jonų transporto ir elektros krūvio surinkimo. Šilumos skatinamas druskingo vandens garavimas lemia jonų persiskirstymą, dėl kurio atskiriami teigiami ir neigiami krūviai. Šis krūvių atskyrimas kietojo kūno ir skysčio sąsajoje sukuria elektrinį lauką, o šis – elektros srovę grandinėje.
Įtaka elektros gamybai
„Mūsų darbas parodė, kad dėl paviršiaus krūvio efekto šviesos ir šilumos derinys gali padidinti energijos gamybą penkis kartus. Šis natūralus reiškinys egzistavo visada, tačiau mes pirmieji jį praktiškai panaudojome“, – pažymi G. Tagliabue.
Pasinaudojus šiuo efektu, pavyko pasiekti puikius rodiklius – apie 1 V įtampą ir maždaug 0,25 W/m² galios tankį. Trisluoksnė įrenginio struktūra leido tyrėjams sukurti veikimo modelį ir dar labiau padidinti galią, keičiant druskos koncentraciją bei optimizuojant nanostulpelių geometriją.
Komanda taip pat sprendė dažną HV įrenginių problemą, kai, naudojant druskingą vandenį, šiluma ir šviesa pagreitina medžiagų degradaciją. Šiai problemai išspręsti nanostulpeliai buvo padengti oksido sluoksniu, kuris apsaugo nuo nepageidaujamų cheminių reakcijų su druskingu vandeniu ir užtikrina stabilią ilgalaikę veikimą.
Tyrėjai tikisi, kad jų darbas prisidės prie pažangesnių hidrovoltinių įrenginių kūrimo. Tokie įrenginiai galėtų maitinti baterijų nereikalaujančius prietaisus, pasitelkdami tik vandenį, šilumą ir saulės šviesą – nuo dėvimų technologijų iki aplinkos stebėsenos jutiklių ir kitų mažos galios sistemų.
