Более чем в 6 миллионах домов в США на крышах установлены солнечные панели. А что, если бы вы могли вырабатывать энергию прямо у себя дома? Исследователи из Бингемтонского университета разработали новый тип обоев, которые преобразуют влагу в помещении в небольшое количество электрического тока. Профессор Сохын «Шон» Чой, преподаватель Колледжа инженерии и прикладных наук, руководил исследованием, опубликованным в журнале Advanced Energy Materials.
В обоях используются крошечные генераторы влажного электричества (ГВЭ), которые поглощают молекулы воды из воздуха. Поглощенная влага способствует диссоциации и перемещению ионов внутри материала, создавая градиент концентрации ионов. Такое разделение зарядов создает напряжение между двумя сторонами устройства, что позволяет генерировать электрическую энергию.
Микроэлектрогенераторам не нужно конкурировать с высокоэнергетическими источниками питания. Вместо этого они могут служить источниками энергии для маломощной электроники, такой как датчики окружающей среды, модули беспроводной связи, интерфейсы «умных» зданий и другие устройства.
«Все предыдущие устройства на основе микроэлектрогенераторов работали за счет влажности окружающей среды», — сказал Чой. «Проблема в том, что они вырабатывали очень мало энергии, а условия на открытом воздухе нестабильны из-за яркого солнечного света и погоды. Преимущество помещений в том, что в них поддерживается постоянная влажность в диапазоне от 30% до 60%, а такие действия жильцов, как дыхание, приготовление пищи и купание, приводят к образованию дополнительной влаги».
Ни одна конструкция, подходящая для установки в помещении, не сочетала в себе необходимые технологии и эстетику, которую ожидает домовладелец, поэтому команда из Бингемтона преодолела ряд трудностей, чтобы воплотить свою идею в жизнь.
В наиболее распространенных МЭГ используются вертикальные или горизонтальные структуры с асимметричным распределением гигроскопичных или ионизируемых материалов. Одна область преимущественно поглощает влагу, в то время как другая способствует десорбции или испарению, создавая устойчивый градиент влажности и концентрации ионов, который приводит к разделению зарядов.
Однако масштабирование этой архитектуры до размеров стены может привести к неэффективному использованию пространства и трудностям с обеспечением направленного переноса влаги на больших площадях.
Чтобы устранить эти ограничения, исследователи обратились к новаторской работе Чоя в области папертроники и разработали новую архитектуру МЭГ, напоминающую микрочип на печатной плате. Глицерин по краям улавливает влагу из воздуха, а рельефная структура из поливинилпирролидона в центре, покрытая восковым слоем, контролирует выделение и испарение влаги. Такая пространственная конструкция направляет влагу из области поглощения в область испарения, поддерживая более контролируемый градиент для непрерывного производства энергии.
Поскольку домовладельцы не хотели видеть кучу проводов, вторая ключевая особенность дизайна заключалась в том, чтобы вывести все провода для МЭГ на обратную сторону обоев. Исследователи соединили генераторы последовательно и параллельно, чтобы выяснить, какая схема дает наибольшую мощность, но оба метода дали схожие результаты.
На данный момент Чой рассматривает МЭГ-массивы как способ питания небольших устройств, таких как датчики окружающей среды или беспроводные клавиатуры, а также регулирования влажности в помещении. «Мы вкладываем много энергии в системы отопления, вентиляции и кондиционирования, чтобы удалять влагу из воздуха, но если мы воспользуемся этой концепцией, то получится снижать или контролировать уровень влажности, а также вырабатывать электричество», — заключил ученый.
