Вдоль береговых линий мира существует практически неиспользованный источник энергии: разница в солености морской и пресной воды. Новое наноустройство может использовать эту разницу для выработки энергии.
Группа исследователей из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне сообщила в журнале Nano Energy о конструкции нанофлюидного устройства, способного преобразовывать ионный поток в полезную электроэнергию . Команда считает, что их устройство можно использовать для извлечения энергии из естественных ионных потоков на границе морской и пресной воды.
«Хотя на данном этапе наш проект все еще является концепцией, он достаточно универсален и уже демонстрирует большой потенциал для применения в энергетике», — сказал Жан-Пьер Лебертон, профессор электротехники и компьютерной инженерии Университета Иллинойса и руководитель проекта. «Все началось с академического вопроса: «Может ли наноразмерное твердотельное устройство извлекать энергию из ионного потока?» — но наша конструкция превзошла наши ожидания и во многом удивила нас».
Когда встречаются два водоема с разной соленостью, например, там, где река впадает в океан, молекулы соли естественным образом перетекают от более высокой концентрации к более низкой концентрации. Энергию этих потоков можно собрать, поскольку они состоят из электрически заряженных частиц, называемых ионами, которые образуются из растворенной соли.
Группа Лебертона разработала наноразмерное полупроводниковое устройство, в котором используется явление, называемое «кулоновским сопротивлением», между текущими ионами и электрическими зарядами в устройстве. Когда ионы проходят через узкий канал в устройстве, электрические силы заставляют заряды устройства перемещаться с одной стороны на другую, создавая напряжение и электрический ток.
Исследователи обнаружили два удивительных поведения при моделировании своего устройства. Во-первых, хотя они ожидали, что кулоновское сопротивление будет возникать в первую очередь за счет силы притяжения между противоположными электрическими зарядами , моделирование показало, что устройство работает одинаково хорошо, если электрические силы отталкиваются. Как положительно, так и отрицательно заряженные ионы способствуют сопротивлению.
«Не менее примечательно и то, что наше исследование показывает, что существует эффект усиления», — сказал Минге Сюн, аспирант из группы Лебертона и ведущий автор исследования. «Поскольку движущиеся ионы настолько массивны по сравнению с зарядами устройства, ионы сообщают зарядам большой импульс, усиливая основной ток».
Исследователи также обнаружили, что эти эффекты не зависят от конкретной конфигурации канала, а также от выбора материалов, при условии, что диаметр канала достаточно узок, чтобы обеспечить близость между ионами и зарядами.
Исследователи находятся в процессе патентования своих результатов и изучают, как массивы этих устройств могут масштабироваться для практического производства электроэнергии.
«Мы считаем, что плотность мощности массива устройств может соответствовать или превосходить плотность мощности солнечных батарей », — сказал Лебертон. «И это не говоря уже о потенциальных применениях в других областях, таких как биомедицинское зондирование и нанофлюидика».
Статья исследователей «Ионное кулоновское сопротивление в наножидкостных полупроводниковых каналах для сбора энергии» доступна в Интернете. Кевэй Сон также внес свой вклад в эту работу.
Теги: вода, энергия