В тестах электричество, вырабатываемое каплями, было небольшим, но могло поддерживать горение дюжины светодиодов
Говорят, апрельские ливни приносят майские цветы. Но есть еще один плюс дождя в любое время года: Это могло бы обеспечить некоторые из ваших источников света чистой, экологически чистой энергией.
Гидроэнергетика обычно использует мощное течение большого потока воды для выработки электроэнергии с помощью некоторых механических средств, таких как вращение больших турбин. Вместо этого новый тип использует крошечные всплески энергии, возникающие, когда дождь стекает по узкой трубе.
“В дожде содержится много энергии”, — говорит Сиоулинг Сох. Инженер, он работает в Национальном университете Сингапура. Его команда разрабатывает новую технологию. “Если мы сможем использовать эту огромную энергию [дождя], — говорит он, — мы сможем двигаться к более устойчивому обществу”.
Молекула воды, или H2O, состоит из двух атомов водорода, связанных с атомом кислорода. Некоторые эксперименты показали, что электрические заряды в молекуле воды могут разделяться в пространстве, когда вода течет по электропроводящей трубке.
При движении капель отрицательно заряженные молекулы гидроксида (OH–) покидают каплю. Они могут прилипнуть к внутренней поверхности пробирки. В результате в воде останется избыток положительно заряженных ионов водорода (H+).
По мере того, как капли стекают из пробирки в стакан, в накопленной воде накапливается дополнительный заряд. Этот заряд может создавать электрический ток.
В ранних тестах, проведенных другими исследователями, доля молекул воды, подвергшихся такому воздействию, была действительно незначительной. Таким образом, производимая ими энергия также была небольшой. На самом деле, это было намного меньше, чем требовалось бы для непрерывного прокачивания воды через эту трубу.
Сох искал способ обойти эту проблему. Новое решение его команды: смешать воздух с водой.
Вот как это работает
Вместо того, чтобы направлять непрерывный поток воды по трубе, они стекают в нее каплями, похожими на капли дождя. Для максимального разделения электрических зарядов они делают трубку небольшой по размеру. Таким образом, большая часть воды соприкасается со стенками трубки. (Ширина трубки в 2 миллиметра примерно равна толщине рисового зернышка.)
Пояснение: Ионы и радикалы в нашем мире
Между капельками воды, стекающими по трубке, образуются крошечные воздушные пробки. Этот процесс обеспечивает более высокую скорость разделения зарядов, чем при непрерывных потоках, сообщает Soh. На самом деле, при этом выделяется примерно в 100 000 раз больше энергии!
Разделенные положительные и отрицательные электрические заряды создают напряжение между ионами. Это во многом похоже на разделение зарядов, которое происходит, когда вы шаркаете по ковру в носках (и рискуете получить небольшой удар током, прикоснувшись к металлу).
Пройдя по всей длине трубки, каждая заряженная капля попадает в стакан из нержавеющей стали. Провода, подсоединенные к трубке и чашке, позволяют этим накопленным электрическим зарядам создавать электрический ток, который может питать какое-либо устройство.
Мойка с электроприводом
Вода, движущаяся по трубке, может поддерживать электрический ток. Но в зависимости от ширины трубы (по сравнению с потоком воды) и наличия воздушных карманов, течение воды может иметь любой из пяти вариантов. Каждый из них проиллюстрирован и сфотографирован здесь. Они расположены в порядке от наибольшей генерируемой мощности (с воздушными карманами, слева) к наименьшей (справа).
Группа Soh провела 20-секундные тесты своей системы. Капли, стекающие по четырем трубкам длиной 32 сантиметра (12,6 дюйма) каждая, каждый раз вырабатывают достаточно электроэнергии для непрерывного питания 12 светодиодных ламп.“Мы считаем, что [эта новая технология] будет полезна в дождливых местах, в том числе в тропических странах, таких как Сингапур”, — говорит Сох. Он добавляет, что ее можно расширить, возможно, установив на крышах дождеулавливающие трубки. Подобная система также может быть установлена рядом с источниками водяных брызг, такие как водопады&.и nbsp; и
и эта технология может сделать больше, чем власть мало света, команда Сох докладов. Например, они показали, как это электричество можно использовать для запуска химических реакций. Действительно, по словам инженеров, они “впервые продемонстрировали, что сбор постоянно разделяющегося [электрического] заряда на границе раздела твердое тело–жидкость является… практически полезным источником электроэнергии”.
Группа Soh поделилась подробностями всего этого в выпуске журнала от 28 мая. Центральная научная академия США.
У вас есть научный вопрос? Мы можем помочь!
Отправьте свой вопрос здесь, и мы, возможно, ответим на него в следующем выпуске Science News Исследует
Новый поворот на основе старой идеи.
Эта базовая концепция не нова, отмечает Дэвид Ма. Этот инженер из Техасского университета A&M в Колледж-Стейшн семь лет назад работал над схожей системой.
“Наша команда сосредоточилась на одной капле в время, движущееся по поверхности”, — вспоминает Ма. “Этот новый подход хорош тем, что он позволяет генерировать больше капель простым способом”. Химаншу Мишра также считает, что эта новая установка “интересный способ изучения [поведения электрических зарядов]”. Это показывает, что происходит, когда вода попадает внутрь трубки — крошечные заряды накапливаются таким образом, что могут генерировать электричество. Мишра, физик, работает в Университете короля Абдаллы в Тувале, Саудовская Аравия.
Пояснение: Что такое электричество
Команда, разработавшая новую технологию, утверждает, что она может вырабатывать до 100 ватт энергии на каждый квадратный метр поверхности, собирающей воду. Это большой шаг вперед по сравнению со старыми методами, говорит Ма.
Но есть и загвоздка, добавляет он.
Устройство работает хорошо только тогда, когда оно подключено к чему-либо с очень высоким электрическим сопротивлением. Это похоже на “разомкнутую цепь”, объясняет он, “в которой почти нет тока”. По этой причине, по его словам, она может питать только небольшие устройства, такие как крошечные светодиодные лампы.“Это не подойдет для обычных лампочек, — говорит Ма, — потому что для них требуется больше тока”. Мишра называет это “интересной наукой”. Но “это не решит наши глобальные энергетические проблемы», — отмечает он. “Мы не можем ожидать, что это заменит ископаемое топливо”.
Тем не менее, это предлагает новый чистый способ получения электроэнергии из окружающей среды. Даже если на данный момент это может сыграть лишь незначительную роль.
