Małe urządzenie wytwarza energię elektryczną z wilgotnego powietrza

Wyobraź sobie, że możesz generować energię elektryczną wykorzystując wilgoć w otaczającym Cię powietrzu za pomocą zwykłych przedmiotów, takich jak sól morska i kawałek tkaniny, lub nawet zasilać codzienną elektronikę nietoksyczną baterią, która jest tak cienka jak papier. Zespół naukowców z National University of Singapore’s (NUS) College of Design and Engineering (CDE) opracował nowe urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej napędzanej wilgocią (MEG) wykonane z cienkiej warstwy tkaniny – o grubości około 0,3 milimetra (mm) – soli morskiej, atramentu węglowego i specjalnego żelu pochłaniającego wodę.

Koncepcja urządzeń MEG opiera się na zdolności różnych materiałów do generowania energii elektrycznej w wyniku interakcji z wilgocią w powietrzu. Dziedzina ta cieszy się rosnącym zainteresowaniem ze względu na jej potencjał dla szerokiej gamy zastosowań w świecie rzeczywistym, w tym urządzeń samozasilających się, takich jak elektronika noszona, np. monitory zdrowia, elektroniczne czujniki skóry i urządzenia do przechowywania informacji.

Kluczowe wyzwania obecnych technologii MEG obejmują nasycenie urządzenia wodą, gdy jest ono wystawione na działanie wilgoci z otoczenia oraz niezadowalającą wydajność elektryczną. W związku z tym, energia elektryczna generowana przez konwencjonalne urządzenia MEG jest niewystarczająca do zasilania urządzeń elektrycznych, a także nie jest zrównoważona.

Aby przezwyciężyć te wyzwania, zespół badawczy pod kierownictwem adiunkta Tan Swee Ching z Wydziału Nauki o Materiałach i Inżynierii w CDE opracował nowatorskie urządzenie MEG zawierające dwa regiony o różnych właściwościach, aby wiecznie utrzymywać różnicę w zawartości wody w regionach w celu generowania energii elektrycznej i umożliwienia wyjścia elektrycznego przez setki godzin.

Ten przełom technologiczny został opublikowany w wersji drukowanej czasopisma naukowego Advanced Materials 26 maja 2022 roku.

Długotrwała, samoładująca się „bateria” oparta na tkaninie

Urządzenie MEG zespołu NUS składa się z cienkiej warstwy tkaniny, która została pokryta nanocząstkami węgla. W swoim badaniu zespół wykorzystał dostępną na rynku tkaninę wykonaną z pulpy drzewnej i poliestru.

Jeden region tkaniny jest pokryty higroskopijnym jonowym hydrożelem, a ten region jest znany jako region mokry. Wykonany przy użyciu soli morskiej, specjalny żel pochłaniający wodę może wchłonąć ponad sześciokrotność swojej pierwotnej wagi i jest używany do zbierania wilgoci z powietrza.

„Sól morska została wybrana jako związek pochłaniający wodę ze względu na jej nietoksyczne właściwości i potencjał do zapewnienia zrównoważonej opcji dla zakładów odsalania, aby pozbyć się wytworzonej soli morskiej i solanki”, podzielił się Asst Prof Tan.

Drugi koniec tkaniny to region suchy, który nie zawiera higroskopijnej jonowej warstwy hydrożelowej. Ma to zapewnić, że ten region jest utrzymywany w stanie suchym, a woda jest ograniczona do regionu mokrego.

Po zmontowaniu urządzenia MEG, energia elektryczna jest generowana, gdy jony soli morskiej są oddzielane, ponieważ woda jest absorbowana w regionie mokrym. Wolne jony o ładunku dodatnim (kationy) są absorbowane przez nanocząstki węgla, które są naładowane ujemnie. To powoduje zmiany na powierzchni tkaniny, generując pole elektryczne w poprzek niej. Te zmiany na powierzchni dają tkaninie również zdolność do przechowywania energii elektrycznej do wykorzystania w późniejszym czasie.

Wykorzystując unikalny projekt regionów mokrych i suchych, naukowcy z NUS byli w stanie utrzymać wysoką zawartość wody w regionie mokrym i niską zawartość wody w regionie suchym. Pozwoli to na utrzymanie mocy elektrycznej nawet wtedy, gdy region mokry jest nasycony wodą. Po pozostawieniu w otwartym, wilgotnym środowisku przez 30 dni, woda nadal utrzymywała się w regionie mokrym, demonstrując skuteczność urządzenia w podtrzymywaniu mocy elektrycznej.

„Dzięki tej unikalnej asymetrycznej strukturze, wydajność elektryczna naszego urządzenia MEG jest znacznie lepsza w porównaniu z wcześniejszymi technologiami MEG, co umożliwia zasilanie wielu popularnych urządzeń elektronicznych, takich jak monitory zdrowia i elektronika do noszenia,” wyjaśnił Asst Prof Tan.

Opracowane przez zespół urządzenie MEG wykazało również wysoką elastyczność i było w stanie wytrzymać naprężenia związane ze skręcaniem, zwijaniem i zginaniem. Co ciekawe, wyjątkową elastyczność urządzenia badacze wykazali składając tkaninę w żurawia origami, co nie wpłynęło na ogólną wydajność elektryczną urządzenia.

Przenośny zasilacz i inne

Urządzenie MEG ma natychmiastowe zastosowania ze względu na łatwość skalowania i komercyjnie dostępne surowce. Jednym z najbardziej natychmiastowych zastosowań jest wykorzystanie go jako przenośnego źródła energii do mobilnego zasilania elektroniki bezpośrednio przez wilgotność otoczenia.

„Po absorpcji wody, jeden kawałek tkaniny generującej moc, która ma wymiary 1,5 na 2 centymetry, może zapewnić do 0,7 woltów (V) energii elektrycznej przez ponad 150 godzin w stałym środowisku”, powiedział członek zespołu badawczego dr Zhang Yaoxin.

Zespół NUS z powodzeniem wykazał również skalowalność swojego nowego urządzenia w generowaniu energii elektrycznej do różnych zastosowań. Zespół NUS połączył ze sobą trzy kawałki tkaniny generującej energię i umieścił je w wydrukowanej w 3D obudowie, która była wielkości standardowej baterii AA. Napięcie zmontowanego urządzenia zostało przetestowane, aby osiągnąć aż 1,96V — wyższe niż komercyjna bateria AA o napięciu około 1,5V — co jest wystarczające do zasilania małych urządzeń elektronicznych, takich jak budzik.

Skalowalność wynalazku NUS, wygoda uzyskania komercyjnie dostępnych surowców, jak również niski koszt fabrykacji wynoszący około S$0,15 za metr kwadratowy sprawiają, że urządzenie MEG nadaje się do masowej produkcji.

„Nasze urządzenie wykazuje doskonałą skalowalność przy niskim koszcie wytwarzania. W porównaniu do innych struktur i urządzeń MEG, nasz wynalazek jest prostszy i łatwiejszy do skalowania integracji i połączeń. Wierzymy, że ma on duże szanse na komercjalizację” – powiedział starszy profesor Tan.

Naukowcy złożyli wniosek o opatentowanie technologii i planują zbadać potencjalne strategie komercjalizacji dla zastosowań w świecie rzeczywistym.

Wideo