Есть много способов вырабатывать устойчивое электричество – солнечные батареи, ветряные турбины или водяные плотины, но есть еще один – ржавчина. Хотя это является общей проблемой в инфраструктуре, новые исследования показывают, что в сочетании с соленой водой она также может быть источником электричества.
Новое исследование ученых из Калифорнийского технологического института и Северо-Западного университета показывает, что электричество можно получать из тонких слоев ржавчины и соленой воды. Это совершенно новый способ производства энергии и может быть использован для разработки новых форм устойчивого производства энергии.
Взаимодействия между соединениями металлов и соленой водой часто производят электричество, но это обычно является результатом химической реакции, в которой одно или несколько соединений превращаются в другие соединения. Подобные реакции имеют место в батареях.
Но феномен, открытый Томом Миллером, профессором химии в Калифорнийском технологическом институте, и Францем Гейгером, профессором химии в Северо-Западном университете, не включает химические реакции. Это скорее преобразование кинетической энергии протекающей соленой воды в электричество. Результаты исследований и испытаний Миллера и Гейгера были опубликованы в журнале «Известия Национальной академии наук ».
Электрокинетическое явление ранее наблюдалось в тонких слоях графена – слоях атомов углерода, расположенных в гексагональной сетке – и является чрезвычайно эффективным. В графеновых случаях преобразование кинетической энергии в электрическую достигало 30 процентов производительности. Для сравнения, лучшие солнечные панели, доступные на рынке, имеют около 20 процентов производительности.
Однако сложно изготовить графеновую фольгу и масштабировать ее до пригодных размеров. Прежде всего, из-за стоимости получения графеновых материалов. Но тонкие слои ржавчины относительно просты в изготовлении и могут быть увеличены до больших размеров. «Это просто ржавчина на железе, поэтому его достаточно легко сделать на больших поверхностях», – сказал Миллер.
Хотя ржавчина образуется только на железных сплавах и не должна быть очень полезной, в случае нового метода необходимо использовать тонкие и стабильные слои ржавчины. Чтобы создать такие слои, исследователи использовали процесс, называемый физическим осаждением из паровой фазы (PVD). Этот процесс превращает твердые материалы, в данном случае оксид железа в пар, который затем оседает на желаемой поверхности. PVD позволил им создать слой оксида железа толщиной 10 нанометров, примерно в 10000 раз тоньше человеческого волоса.
Подготовленные таким образом тонкие слои материала, после добавления растворов соленой воды различной концентрации, генерируют несколько десятков милливольт и несколько микроампер на квадратный сантиметр.
– Панели площадью 10 квадратных метров будут генерировать несколько киловатт-часов, что должно быть достаточно для стандартного дома. Конечно, менее требовательные приложения, включая устройства с низким энергопотреблением, более перспективны для достижения в ближайшем будущем », – пояснил Миллер.
Механизм генерации электричества довольно сложен и включает в себя ионную адсорбцию и десорбцию, но по существу работает так: отрицательные ионы, присутствующие в соленой воде, притягивают электроны в железе под слоем ржавчины. Поскольку соленая вода течет, она также течет с этими ионами, которые несут электроны в железе позади них, что приводит к потоку заряда и генерации электричества.
Миллер утверждает, что этот эффект может быть полезен в различных сценариях. – Например, приливная энергия или колеблющиеся в океане буи могут использоваться для пассивного преобразования электричества. Или кровь, текущая в ваших венах - ее также можно использовать для выработки электричества, даже для питания имплантатов, – сказал Миллер.