Крошечное устройство, использующее соль для выработки чистой энергии

Источник: stock_colors/iStock

Подписываясь, вы соглашаетесь с нашими Условиями использования и политикой. Вы можете отказаться от подписки в любое время.

Новое устройство размером меньше человеческого волоса может генерировать электричество за счет разницы солености морской и пресной воды. Это может стать новым источником чистой энергии вдоль береговых линий мира.

Группа исследователей из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне сообщила в журнале Nano Energy о конструкции устройства, которое может преобразовывать поток ионов соли в электроэнергию. Устройство изготовлено из наноразмерных полупроводниковых материалов и работает за счет явления, называемого «кулоновским сопротивлением». Команда считает, что их устройство можно использовать для сбора энергии из естественных градиентов соли на границе морской и пресной воды.

Руководитель проекта Жан-Пьер Лебертон, профессор электротехники и вычислительной техники, сказал, что их конструкция на данном этапе все еще оставалась концепцией, но она очень универсальна и демонстрирует большой потенциал для применения в энергетике. Он сказал, что они начали с академического вопроса: «Может ли наноразмерное твердотельное устройство извлекать энергию из ионного потока?» – но их дизайн во многом удивил их.

Когда морская и пресная вода встречаются, например, в устье реки, молекулы соли естественным образом перемещаются от более высокой концентрации к более низкой концентрации. Это движение можно использовать для выработки электричества, поскольку молекулы соли состоят из электрически заряженных частиц, называемых ионами.

Кредиты: Инженерный колледж Грейнджера при Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне.

Группа Лебертона разработала устройство с узким каналом, через который проходят ионы. Электрические силы между ионами и зарядами в устройстве заставляют заряды перемещаться с одной стороны на другую, создавая напряжение и электрический ток.

Главный автор исследования, Минге Сюн, аспирант из группы Лебертона, сказал, что они обнаружили два неожиданных поведения, когда моделировали свое устройство. Он сказал, что они обнаружили, что устройство работает одинаково хорошо независимо от того, были ли электрические силы притяжения или отталкивания. Он также сказал, что как положительные, так и отрицательные ионы способствуют торможению.

Сюн также сказал, что произошел эффект усиления. Он объяснил, что ионы были намного тяжелее зарядов в устройстве, поэтому они передали зарядам большой импульс, увеличивая основной ток.

Исследователи также обнаружили, что эти эффекты не зависели от конкретной формы канала или выбора материалов, если канал был достаточно узким, чтобы обеспечить близость между ионами и зарядами.

Исследователи находятся в процессе патентования своих открытий и изучают, сколько устройств можно подключить, чтобы производить больше энергии.

Лебертон сказал, что, по его мнению, плотность мощности массива устройств может соответствовать или превосходить плотность мощности солнечных элементов. Он также упомянул о потенциальных приложениях в других областях, таких как биомедицинское зондирование и нанофлюидика.

Исследование опубликовано в журнале Nano Energy.

С помощью комбинированного расчетно-аналитического подхода, основанного на методе функций Грина и транспортном формализме Больцмана, установлено возникновение электронного тока в легированной кремниевой мембране, индуцированного дальнодействующим кулоновским взаимодействием ионов, протекающих через наножидкостный канал. Электронное кулоновское сопротивление, характеризующееся напряжением холостого хода и током короткого замыкания, обеспечивает новую парадигму сбора энергии. Кроме того, наша модель предсказывает усиление тока ионного увлечения из-за большой передачи импульса от тяжелых ионов носителям заряда в кремнии, что достигается как для анионов, так и для катионов, текущих в наноканале, независимо от типа легирующей примеси в полупроводнике. Анализ указывает на универсальность этого эффекта в зависимости от природы электролита и полупроводниковых материалов, обеспечивая правильную настройку их структуры и конструктивных решений.