Ενέργεια από νερό και σκουριά

Ενέργεια από νερό και σκουριά

northwestern.edu

Νέα έρευνα από επιστήμονες του Caltech και του Northwestern University δείχνει ότι λεπτά στρώματα σκουριάς- οξείδιο του σιδήρου- μπορούν να παράξουν ηλεκτρισμό όταν ρέει πάνω τους αλμυρό νερό: Η μέθοδος αυτή αντιπροσωπεύει έναν εντελώς νέο τρόπο παραγωγής ηλεκτρισμού και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη νέων τεχνικών παραγωγής ανανεώσιμης ενέργειας.

Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ μεταλλικών ενώσεων και αλμυρού νερού παράγουν συχνά ηλεκτρισμό, αλλά συνήθως πρόκειται για το αποτέλεσμα μιας χημικής αντίδρασης, όπου μία ή περισσότερες ενώσεις μετατρέπονται σε άλλες ενώσεις. Τέτοιου είδους αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα μέσα σε μπαταρίες.

Αντίθετα, το φαινόμενο που ανακάλυψαν ο Τομ Μίλερ, καθηγητής Χημείας του Caltech, και ο Φραντς Γκάιγκερ, καθηγητής Χημείας του Northwestern, δεν περιλαμβάνει χημικές ενώσεις, μα μετατρέπει την κινητική ενέργεια του ρέοντος αλμυρού νερού σε ηλεκτρισμό.

Το ηλεκτροκινητικό φαινόμενο είχε παρατηρηθεί και στο παρελθόν, σε λεπτά στρώματα γραφενίου, και είναι ιδιαίτερα αποδοτικό: Η αποδοτικότητά του υπολογίζεται στο 30% ως προς τη μετατροπή κινητικής ενέργειας σε ηλεκτρισμό, τη στιγμή που οι καλύτεροι ηλιακοί συλλέκτες είναι περίπου στο 20%.

«Παρόμοιο φαινόμενο έχει παρατηρηθεί και σε κάποια άλλα υλικά. Αν πάρετε μια σταγόνα αλμυρού νερού και την κινήσετε πάνω σε γραφένιο, θα δείτε παραγωγή κάποιου ηλεκτρικού ρεύματος» λέει ο Μίλερ.

Ωστόσο η παραγωγή ταινιών γραφενίου και μάλιστα σε μεγάλη κλίμακα είναι δύσκολη, τη στιγμή που οι ταινίες/ στρώματα οξειδίου του σιδήρου που ανακάλυψαν οι Μίλερ και Γκάιγκερ παράγονται σχετικά εύκολα, και σε μεγάλα μεγέθη. «Είναι στην ουσία απλά σκουριά σε σίδερο, οπότε είναι αρκετά εύκολη η παραγωγή σε μεγάλες εκτάσεις» λέει ο Μίλερ. «Είμαι μια πιο “στιβαρή” εφαρμογή αυτού που είδαμε στο γραφένιο».

Αν και η σκουριά εμφανίζεται από μόνη της στο σίδερο, οι ερευνητές έπρεπε να διασφαλίσουν πως θα σχηματιζόταν σε λεπτό στρώμα. Για να το κάνουν αυτό, χρησιμοποίησαν μια διαδικασία ονόματι PVD (physical vapor deposition), η οποία μετατρέπει στερεά υλικά (σίδηρο, επί της προκειμένης) σε ατμό που συμπυκνώνεται σε μια επιθυμητή επιφάνεια. Το PVD επέτρεψε τη δημιουργία ενός στρώματος σιδήρου πάχους 10 νανομέτρων, περίπου 10.000 φορές πιο λεπτό από μια ανθρώπινη τρίχα. Αφού η ταινία σιδήρου αφαιρέθηκε από τη συσκευή PVD, σχηματίστηκε άμεσα σκουριά πάχους περίπου 2 νανομέτρων.

Όταν πάνω σε αυτή την ταινία ρίχτηκαν διαλύματα αλμυρού νερού διαφόρων συγκεντρώσεων, διαπιστώθηκε πως προέκυπταν δεκάδες millivolts και αρκετά microamps ανά τετραγωνικό εκατοστό.

«Πλάκες των δέκα τετραγωνικών μέτρων η καθεμία θα μπορούσαν να παράγουν μερικά kilowatts ανά ώρα» λέει ο Μίλερ. «Φυσικά, λιγότερο απαιτητικές εφαρμογές, περιλαμβανομένων συσκευών χαμηλής ενέργειας σε απομακρυσμένες περιοχές, είναι πιο πολλά υποσχόμενες βραχυπρόθεσμα».

Ο μηχανισμός πίσω από την παραγωγή ηλεκτρισμού είναι πολύπλοκος, αλλά σε γενικές γραμμές έχει ως εξής: Τα ιόντα στο αλμυρό νερό προσελκύουν ηλεκτρόνια στον σίδηρο κάτω από τη σκουριά. Καθώς το αλμυρό νερό ρέει, το ίδιο συμβαίνει και με τα ιόντα, και μέσω αυτής της διαδικασίας παρασύρονται τα ηλεκτρόνια στον σίδηρο, δημιουργώντας ηλεκτρικό ρεύμα.

Σύμφωνα με τον Μίλερ, αυτό το φαινόμενο θα ήταν ιδιαίτερα χρήσιμο σε περιπτώσεις όπου υπάρχουν διαλύματα αλμυρού νερού εν κινήσει, όπως στη θάλασσα ή στο ανθρώπινο σώμα.