Ученые научились превращать испаряющуюся воду в электричество

Не все источники энергии одинаково доступны: солнце зависит от погоды, ветер — от ландшафта, а гидроэнергетика требует инфраструктуры. На этом фоне исследователи все чаще обращаются к процессам, которые происходят практически везде. Испарение воды — один из таких процессов. В материала «‎Рамблера» читайте о том, как ученые научились получать таким образом электричество.

Почему именно испарение?

Термодинамика процесса испарения давно известна: при переходе воды из жидкого состояния в пар требуется значительное количество тепла — порядка 2250 джоулей на грамм. Это энергия, которую вода берет из окружающей среды при испарении, снижая температуру поверхности и создавая температурные градиенты.

Вода испаряется постоянно — из рек, озер, океанов, почвы, растений и даже с поверхности кожи — и делает это независимо от времени суток, если есть тепло и движение воздуха. В отличие от солнечных батарей, которые зависят от солнечного света, или ветряков, зависящих от ветра, испарение может происходить практически всегда, где есть влажная поверхность и тепло. Это делает его потенциальным источником устойчивой, но сравнительно низкоинтенсивной энергии.

Как работают генераторы на испарении?

Современные устройства, преобразующие испарение в электричество, создают на основе термоэлектрических генераторов (TEG). Они работают по простому принципу: разница температур между двумя поверхностями порождает электрическое напряжение.

Феноменальное открытие ученых о генетическом клонировании

Один из подходов, описаный исследователями из Китайского университета Гонконга и Национального университета Сингапура, был опубликован в Popular Mechanics. Он предполагает следующую конструкцию:

• два теплоотвода размещены с двух сторон термоэлектрического генератора;
• один из них связан с пористым гелем из поливинилового спирта (PVA), который постоянно увлажняется;
• вода испаряется с поверхности геля, охлаждая его;
• другая сторона остается на температуре окружающего воздуха.

Такой градиент температуры между теплой и охлажденной сторонами дает энергию для генерации электричества без движущихся механических частей. На стадии лабораторных экспериментов такая система способна вырабатывать лишь микроуровни энергии, достаточные, например, для питания маленьких экранов или датчиков.

Однако уже сейчас ученые видят перспективу увеличения выходной мощности. По оценкам авторов, потенциал может вырасти в десять раз по мере оптимизации материалов и конструкции.

Преимущества и ограничения технологии

Преимущества:

1. Испарение — процесс, происходящий повсеместно, особенно в теплых и влажных регионах, и не зависит от прямого солнечного света или ветра.
2. Отсутствие подвижных частей, как сообщается в AZoCleantech, упрощает устройства и снижает эксплуатационные расходы.
3. Потенциально плохо подходит лишь для задач, где нужна высокая мощность, но может быть полезен для микроустройств — датчиков, носимых гаджетов, устройств Интернета вещей.

Ограничения:

1. Текущая эффективность таких систем крайне низка — порядка 0,1 процента энергии испарения превращается в электричество, и это сопоставимо с ранними этапами развития других возобновляемых технологий.
2. Устройство требует постоянного источника воды для испарения, без чего эффект пропадает.
3. Чтобы стать конкурентоспособным источником энергии на крупном масштабе, требуется значительная оптимизация материалов, конструкций и интеграция с другими источниками.

Где такие технологии могут быть полезны?

Наиболее вероятные начальные применения генераторов на испарении — это сферы, где требуется постоянная, хотя и небольшая, подача энергии без батарей и проводов:

• носимая электроника — фитнес-трекинг, медицинские датчики, часы, которые могли бы частично питаться за счет собственной влажности или окружающей.
• экологические сенсоры — мониторинг почвы, климата, качества воздуха в удаленных точках, где замена батарей затруднительна.
• IoT-устройства с малым энергопотреблением, которые должны работать длительно без обслуживания.

В перспективе возможны более амбициозные структуры, использующие испарение на больших водоемах или промышленных объектах для выработки энергии. Но такие проекты пока находятся в области концепций и требуют многолетних инженерных разработок.

Ранее мы писали, когда мы получим неограниченный источник энергии.