Istraživači sa Švicarskog federalnog instituta za tehnologiju u Lausanni (EPFL) došli su do značajnog otkrića koje otvara nova vrata u proizvodnji energije. Utvrđeno je da uređaji na nano razini, koji iskorištavaju hidroelektrički učinak, mogu proizvesti električnu energiju iz isparavanja tekućina s višom koncentracijom iona od one u prečišćenoj vodi. Ovim se otkriva ogroman, dosad neiskorišten potencijal za dobivanje energije.

Isparavanje je prirodni proces toliko sveprisutan da ga većina nas uzima zdravo za gotovo. Zapravo, otprilike polovica solarne energije koja dospijeva na Zemlju pokreće procese isparavanja. Od 2017. godine, znanstvenici rade na iskorištavanju energetskog potencijala isparavanja kroz hidrovoltaički (HV) efekt. Taj efekt omogućava dobivanje električne energije kada se tekućina prelije preko nabijene površine uređaja na nano razini. Isparavanje uspostavlja kontinuirani tok unutar nanokanala unutar ovih uređaja, koji djeluju kao pasivni mehanizmi crpljenja. Sličan učinak primjećuje se i u mikrokapilarama biljaka, gdje transport vode nastaje zahvaljujući kombinaciji kapilarnog tlaka i prirodnog isparavanja.

Ovo otkriće nije samo teoretske prirode, već ima konkretne aplikacije koje bi mogle revolucionirati način na koji pristupamo proizvodnji energije. Primjena nanotehnologije za iskorištavanje prirodnih procesa, poput isparavanja, otvara put razvoju održivih i ekološki prihvatljivih izvora energije. Osim toga, sposobnost hvatanja električne energije iz isparavanja morske vode ili čak vode iz slavine sugerira da bi ova tehnologija mogla biti primjenjiva gotovo svugdje na planeti, pružajući čistu i obnovljivu energiju u regijama koje su trenutno ovisne o fosilnim gorivima ili drugim manje održivim izvorima energije.

Iako već postoje hidrovoltaički uređaji, razumijevanje funkcionalnih uvjeta i fizičkih fenomena koji upravljaju proizvodnjom HV energije na nanorazini još uvijek je vrlo ograničeno. To je informacijski jaz koji su Giulia Tagliabue, voditeljica Laboratorija za nanotehnologiju za energetske tehnologije (LNET) na Fakultetu za inženjerstvo, i doktorand Tarique Anwar odlučili popuniti. Koristili su kombinaciju eksperimenata i višefizičkog modeliranja kako bi karakterizirali tokove tekućina, tokove iona i elektrostatičke učinke zbog interakcija čvrsto-tekuće, s ciljem optimizacije HV uređaja.

"Zahvaljujući našoj novoj, visoko kontroliranoj platformi, ovo je prva studija koja kvantificira ove hidrovoltaičke fenomene ističući važnost različitih međupovršinskih interakcija. Međutim, u procesu smo također došli do važnog otkrića: da hidrovoltaički uređaji mogu raditi u širokom rasponu saliniteta, što proturječi prethodnom razumijevanju da je za najbolje performanse potrebna visoko prečišćena voda," kaže Tagliabue.

Studija LNET-a nedavno je objavljena u časopisu Device izdavača Cell Press.

Otkrivajući višefizički model
Uređaj istraživača predstavlja prvu hidrovoltaičku primjenu tehnike zvane koloidna litografija s nanosferama, što im je omogućilo stvaranje heksagonalne mreže precizno razmaknutih silicijskih nanopilara. Prostori između nanopilara stvorili su savršene kanale za isparavanje uzoraka tekućine i mogli su se fino podešavati kako bi se bolje razumjeli učinci zatočenja tekućine i područja kontakta čvrsto/tekuće.

"U većini fluidnih sustava koji sadrže slane otopine imate jednak broj pozitivnih i negativnih iona. Međutim, kada tekućinu zatvorite u nanokanal, ostaju samo ioni s polaritetom suprotnim od naboja površine," objašnjava Anwar. "To znači da ako dopustite tekućini da teče kroz nanokanal, generirat ćete struju i napon."

Ova spoznaja otvara nove perspektive u razumijevanju i primjeni hidrovoltaičkih uređaja, nudeći inovativne pristupe optimizaciji njihove učinkovitosti. Uz napredak u karakterizaciji fluidnih i ionskih tokova te elektrostatičkih interakcija, ovaj rad postavlja temelje za razvoj efikasnijih HV sustava koji bi mogli koristiti širok spektar tekućina, čime se znatno proširuje potencijalna primjena ove tehnologije. Time se otvara put ka razvoju novih, održivih izvora energije koji bi mogli imati znatne ekološke i ekonomske prednosti, dovodeći do smanjenja ovisnosti o fosilnim gorivima i pridonoseći globalnim naporima za smanjenje emisija stakleničkih plinova.

Na putu prema osvješćenijem iskorištavanju prirodnih resursa, ova studija naglašava mogućnost da hidrovoltaički uređaji pružaju rješenje za proizvodnju obnovljive energije koristeći se svakodnevnim resursima poput morske vode ili čak vode iz slavine. Sposobnost ovih uređaja da rade s različitim razinama saliniteta znači da bi se mogli primijeniti u različitim okolišima, od obalnih područja do unutrašnjosti, pružajući lokalna rješenja za proizvodnju energije koja su prilagođena specifičnim potrebama i resursima.

S obzirom na ograničene resurse i potrebu za održivim izvorima energije, inovacije poput hidrovoltaičkih uređaja imaju potencijal revolucionarizirati način na koji razmišljamo o energiji. Uspješna primjena tehnologije koja koristi procese poput isparavanja za proizvodnju energije može pomoći u smanjenju ovisnosti o fosilnim gorivima, smanjiti emisije stakleničkih plinova i pridonijeti globalnim naporima za borbu protiv klimatskih promjena.

Studija provedena na EPFL-u i objavljena u časopisu Device ne samo da doprinosi znanstvenoj zajednici detaljnim razumijevanjem hidrovoltaičkih fenomena, već i otvara nove mogućnosti za praktičnu primjenu ovih uređaja. Kroz daljnje istraživanje i razvoj, može se očekivati napredak u efikasnosti i primjenjivosti HV tehnologije, što bi moglo dovesti do šireg prihvaćanja i korištenja u svakodnevnom životu.

Ova spoznaja ne samo da naglašava važnost multidisciplinarnog pristupa u rješavanju energetskih izazova, već i potiče na daljnje istraživanje koje bi moglo otkriti dodatne načine za iskorištavanje prirodnih procesa u svrhu održive proizvodnje energije. Budućnost energetike mogla bi se znatno promijeniti zahvaljujući inovacijama koje proizlaze iz dubokog razumijevanja prirodnih fenomena i primjene napredne tehnologije u cilju boljeg iskorištavanja dostupnih resursa.

Ovo otkriće, koje je Giulia Tagliabue istaknula, naglašava kako se kemijska ravnoteža za površinski naboj nanouređaja može iskoristiti za proširenje rada hidrovoltaičkih uređaja kroz cijelu skalu saliniteta. "Zapravo, kako koncentracija iona u tekućini raste, tako raste i površinski naboj nanouređaja. Kao rezultat, možemo koristiti veće kanale za tekućinu dok radimo s tekućinama veće koncentracije. To olakšava izradu uređaja za korištenje s vodom iz slavine ili morskom vodom, za razliku od isključivo prečišćene vode."

Voda, voda svuda
Budući da se isparavanje može neprekidno događati u širokom rasponu temperatura i vlažnosti – čak i noću – postoji mnogo uzbudljivih potencijalnih primjena za učinkovitije HV uređaje. Istraživači se nadaju istražiti ovaj potencijal uz podršku početnog granta Švicarske nacionalne znanstvene fondacije, koji ima za cilj razviti "potpuno novi paradigma za oporavak otpadne topline i proizvodnju obnovljive energije na velikim i malim razmjerima," uključujući prototip modula pod stvarnim uvjetima na Ženevskom jezeru.

Budući da se HV uređaji teoretski mogu koristiti bilo gdje gdje postoji tekućina – ili čak vlaga, poput znoja – mogli bi se koristiti i za napajanje senzora za povezane uređaje, od pametnih televizora do nosivih uređaja za zdravlje i fitness. S LNET-ovim stručnostima u području prikupljanja i skladištenja svjetlosne energije, Tagliabue je također zainteresiran vidjeti kako se svjetlosni i fototermalni učinci mogu koristiti za kontrolu površinskih naboja i brzina isparavanja u HV sustavima.

Konačno, istraživači također vide važne sinergije između HV sustava i proizvodnje čiste vode.

"Prirodno isparavanje koristi se za pogon procesa desalinizacije, budući da se slatka voda može prikupljati iz slane vode kondenzacijom pare koju proizvodi isparivačka površina. Sada možete zamisliti korištenje HV sustava kako za proizvodnju čiste vode tako i za istovremeno iskorištavanje električne energije," objašnjava Anwar.

Reference
Anwar i Tagliabue, Salinitet-ovisne međupovršinske pojave prema optimizaciji hidrovoltaičkog uređaja, Device
(2024), https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100287

Kroz razvoj ovih tehnologija, ne samo da se otvaraju nove mogućnosti za proizvodnju energije već se istražuju i inovativni načini za rješavanje problema poput nedostatka pitke vode. Ovaj integrirani pristup, koji kombinira proizvodnju energije s desalinizacijom, mogao bi znatno utjecati na održivost i pristup čistoj vodi na globalnoj razini. Kroz daljnje istraživanje i razvoj, HV tehnologija obećava ne samo revolucionirati način na koji dobivamo energiju već i pružiti vitalne resurse tamo gdje su oni najpotrebniji.

Izvor: School of Architecture, Civil & Environmental Engineering - ENAC