Το 2020, ο Jun Yao, επίκουρος καθηγητής Ηλεκτρολογίας και Μηχανικής Υπολογιστών στο UMass Amherst, και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν νανοσύρματα από βακτήρια γνωστά ως Geobacter sulfurreducens . Οι επιστήμονες έδειξαν πώς αυτά τα καλώδια μπορούσαν να τραβούν συνεχώς ηλεκτρισμό από τον αέρα συγκομίζοντας ακόμη και μικρές ποσότητες υγρασίας. Το σύστημα βασίστηκε στη χημεία των νανοσυρμάτων και των πόρων σε μια μεμβράνη που τα περικάλυψε.
Βασιζόμενοι σε αυτήν την έρευνα, ο Yao και η ομάδα του ανακάλυψαν τώρα ότι ο τύπος του νανοσύρματος που εμπλέκεται στη διαδικασία είναι ασήμαντος. Το πραγματικό κόλπο, λένε, έχει να κάνει με το μέγεθος των πόρων στην ταινία.
«Αυτό που συνειδητοποιήσαμε αφού κάναμε την ανακάλυψη του Geobacter», λέει ο Yao, «είναι ότι η ικανότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον αέρα – αυτό που τότε ονομάζαμε «φαινόμενο Air-gen» – αποδεικνύεται γενική: κυριολεκτικά κάθε είδους υλικό μπορεί συλλέγει ηλεκτρισμό από τον αέρα, αρκεί να έχει μια συγκεκριμένη ιδιότητα».
Η ιδιότητα στην οποία αναφέρεται έχει να κάνει με αυτό που είναι γνωστό ως «μέση ελεύθερη διαδρομή», την απόσταση που μπορεί να κινηθεί ένα μόριο οποιασδήποτε ουσίας πριν προσκρούσει σε ένα άλλο μόριο. Για το νερό, όπως αυτό που σχηματίζει την υγρασία στον αέρα, η απόσταση είναι 100 νανόμετρα (nm), ή λιγότερο από το ένα χιλιοστό του πλάτους μιας ανθρώπινης τρίχας.
Όπως σχηματίζονται οι κεραυνοί στα σύννεφα
Όπως και με την προηγούμενη έρευνα, η νέα μελέτη περιλαμβάνει δύο στρώματα νανοφίλμ. Η κορυφή έχει διατρήσεις μικρότερες από 100 nm. Αυτό λειτουργεί ως ένα είδος κόσκινου που συγκρατεί τα μόρια του νερού στην επιφάνεια καθώς περιμένουν να συμπιεστούν μέσα από τους πόρους. Καθώς αυτά τα μόρια συγκεντρώνονται στην επάνω μεμβράνη, δημιουργούν ένα φυσικό ηλεκτρικό φορτίο που είναι μεγαλύτερο από το φορτίο στο κάτω στρώμα του φιλμ. Η ανισορροπία μεταξύ των δύο στρωμάτων δημιουργεί αποτελεσματικά ένα ηλεκτρικό ρεύμα, παρόμοιο με τον τρόπο με τον οποίο σχηματίζονται οι κεραυνοί στα σύννεφα .
«Ο αέρας περιέχει τεράστια ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας», λέει ο Yao, ο οποίος είναι ο ανώτερος συγγραφέας της νέας εφημερίδας. “Σκεφτείτε ένα σύννεφο, που δεν είναι τίποτα άλλο από μια μάζα σταγονιδίων νερού. Κάθε ένα από αυτά τα σταγονίδια περιέχει ένα φορτίο και όταν οι συνθήκες είναι κατάλληλες, το σύννεφο μπορεί να δημιουργήσει έναν κεραυνό – αλλά δεν ξέρουμε πώς να συλλάβουμε αξιόπιστα την ηλεκτρική ενέργεια Αυτό που κάναμε είναι να δημιουργήσουμε ένα ανθρωπογενές σύννεφο μικρής κλίμακας που παράγει ηλεκτρική ενέργεια για εμάς προβλέψιμα και συνεχώς, ώστε να μπορούμε να τη συγκομίζουμε.”
Ο Yao λέει ότι επειδή το φαινόμενο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας βασίζεται αποκλειστικά στο μέγεθος των πόρων, το σύστημα θα μπορούσε να κατασκευαστεί από μια σειρά διαφορετικών υλικών.
«Η ιδέα είναι απλή, αλλά δεν έχει ανακαλυφθεί ποτέ πριν, και ανοίγει κάθε είδους δυνατότητες», είπε. “Η θεριζοαλωνιστική μηχανή θα μπορούσε να σχεδιαστεί κυριολεκτικά από όλα τα είδη υλικού, προσφέροντας ευρείες επιλογές για οικονομικά αποδοτικές και προσαρμόσιμες στο περιβάλλον κατασκευές. Θα μπορούσατε να φανταστείτε θεριζοαλωνιστικές μηχανές κατασκευασμένες από ένα είδος υλικού για περιβάλλοντα τροπικών δασών και ένα άλλο για πιο άνυδρες περιοχές.”
Ενώ το σύστημα συγκομιδής βασίζεται στην υγρασία του αέρα για να λειτουργήσει, όπως έδειξε η προηγούμενη έρευνα της ομάδας, δεν χρειάζεται άφθονη υγρασία και θεωρητικά θα μπορούσε να λειτουργήσει ακόμη και σε συνθήκες ερήμου.
Δεν είναι η πρώτη φορά που βλέπουμε έρευνα που στοχεύει στη συλλογή ηλεκτρικής ενέργειας από τον αέρα.
Πέρυσι, μια αυστραλιανή εταιρεία με την επωνυμία Strategic Energy σημείωσε άλμα των μετοχών της αφού ανακοίνωσε την τεχνολογία της «Energy Ink» , η οποία βασίζεται στην υγρασία του περιβάλλοντος – όπως ο ιδρώτας που παράγεται από το ανθρώπινο σώμα – για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Και πριν από αυτό, επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ χρησιμοποίησαν τα σύννεφα καταιγίδας ως έμπνευση και δημιούργησαν τάση χρησιμοποιώντας ατμοσφαιρικούς υδρατμούς και μεταλλικές επιφάνειες .
Ωστόσο, εάν η μελέτη UMass Amherst οδηγεί σε πρακτικές εφαρμογές, θα μπορούσε να είναι ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός σε αυτόν τον τομέα με βάση την απόλυτη απλότητά της. Επιπλέον, η ομάδα λέει ότι επειδή το νανοφίλμ είναι τόσο μικροσκοπικό, η στοίβαξή του θα ήταν απλή και θα μπορούσε να οδηγήσει σε παραγωγή ενέργειας σε επίπεδο κιλοβάτ.
Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Advanced Materials .
(photo: pixabay)