Море заряжает не только в отпуске.

Нанофлюидное устройство генерирует энергию с помощью солёной воды. Источник.

Вдоль морских берегов по всему миру есть такие чудесные места, к завораживающим пейзажам которых следует добавить ещё одно богатство, а именно ‒ практически никак не используемый энергетический потенциал. Да, мы наслышаны о множестве моделей установок для преобразования энергии волн в электричество, но правда в том, что эти способы пока не столь эффективны, хоть их КПД и выше, чем у «воздушных» решений. Нам, конечно, хотелось бы собрать все 80 кВт с погонного метра, возможные при волнении моря с 2-хметровой высотой гребней, но фактически мы могли бы взять только 68 кВт. Однако и это ещё не всё: чтобы получить такой результат, нужны очень большие затраты, что делает полученную энергию крайне дорогостоящей.

Но вот группа учёныхиз Университета Иллинойса обратила внимание на одно весьма любопытное обстоятельство, которое обычно упускает, наверное, всякий человек, кому довелось любоваться рекой, впадающей в море. Под защитой этих красот и вызванной ими в нашем мозге химии чувств, в таких местах происходит смешение двух миров ‒ воды солёной и пресной. Для отдыхающих обывателей вроде бы ничего необычного, но исследователи усмотрели в этом явлении неожиданный потенциал, ведь на границе морской и пресной вод возникают естественные потоки ионов.

Итогом работы стало новое наноразмерное устройство, которое может использовать разницу в солёности речной и морской воды для выработки энергии, преобразовывая ионный поток в полезную электроэнергию. А всё благодаря тому, что комбинирование аналитики, расчётов и моделирования показало, что кулоновское взаимодействие ионов в наноразмерном жидкостном канале способно произвести ток в легированной кремниевой мембране. 

«Хотя на данном этапе наш проект всё ещё является концепцией, он достаточно универсален и уже демонстрирует большой потенциал для применения в энергетике, ‒ говорит Жан-Пьер Лебертон, профессор электротехники и компьютерной инженерии Университета Иллинойса и руководитель проекта. ‒ Всё началось с академического вопроса "может ли наноразмерное твердотельное устройство извлекать энергию из ионного потока", но наша конструкция превзошла наши ожидания и во многом удивила нас».

Дело в том, что встреча двух водоёмов с разной солёностью ‒ как, например, когда река впадает в океан, ‒ провоцирует естественное перетекание молекул соли из области с более высокой концентрацией в течения с более низкой. Эти молекулярные миграции, по сути, являются продолжением растворения морских солей, отчего вода обогащается ионами ‒ электрически заряженными частицами. Энергию как раз этих потоков и решила собрать команда.

Для осуществления задуманного и была разработана полупроводниковая конструкция. Будучи реализованной в наномасштабе, она использует кулоновское сопротивление между текущими ионами и электрическими зарядами в ней самой: прохождение ионов через узкий канал конструкции порождает электрические силы, заставляющие заряды устройства перемещаться с одной стороны на другую, создавая напряжение и сам электрический ток.

То есть, в результате эффективного диапазона кулоновских взаимодействий (при расстоянии между слоями всего до нескольких десятков нанометров), электрический ток в «активном» проводящем слое приводит в движение электронные носители заряда в «пассивном» слое. Этот эффект широко исследовался как экспериментально, так и теоретически в твердотельных системах, что и подтолкнуло команду к идее опробовать такую реализацию.

Достижения в технологиях позволили появиться наноразмерным твердотельным устройствам, способным к демонстрации наножидкостных свойств, включая транспорт ионов через узкие отверстия и взаимодействие ионов с этими же устройствами. С развитием нанотехнологий и, в частности, нанофлюидики (раздел гидродинамики наноструктурных жидкостей) стали доступны каналы из твердотельных материалов размером до нескольких нанометров и даже субнанометров. Всё это внушало учёным уверенность в успехе их предприятия, и, в общем-то, предположения оправдались, но, правда, не совсем.

Случилось кое-что такое, что заставило исследователей несколько повременить с обнародованием итогов работы: при моделировании прибора было обнаружено два удивительных поведенческих паттерна.

Во-первых, вопреки ожиданиям, оказалось, что кулоновское сопротивление возникает не только за счёт силы притяжения между противоположными электрическими зарядами, но что устройство работает одинаково хорошо даже при отталкивании электрических сил. То есть самому сопротивлению способствуют как положительно, так и отрицательно заряженные ионы. В этом контексте концепция применения ионного кулоновского сопротивления может быть распространена на общую геометрию наноканалов разработки: они не обязательно должны быть цилиндрическими и содержать металлические или полупроводниковые материалы. Главное ‒ наличие чистого потока ионов.

«Примечательно и то, что наше исследование указывает на эффект усиления, ‒ дополняет аспирант Минге Сюн, ведущий автор исследования. ‒ Поскольку движущиеся ионы настолько массивны по сравнению с зарядами устройства, ионы сообщают зарядам большой импульс, усиливая основной ток».

Второй находкой, вызвавшей удивление учёных, стало обнаружение независимости этих эффектов и от конкретной конфигурации канала, и от выбора материалов. Правда, для возникновения этого явления важно было одно условие: диаметр канала должен быть узок настолько, чтобы обеспечить близость между ионами и зарядами. Проведённый анализ указывает на универсальность данного эффекта в зависимости от природы электролита и полупроводниковых материалов, изменение которых должно сопровождаться правильной настройкой их структуры и конструктивных конфигураций.

Исследование получилось настолько продуктивным, что его результаты уже проходят процессы патентования, а учёные заняты разработкой системы масштабирования своего детища для практического производства электроэнергии.

«Мы считаем, что плотность мощности массива устройств может соответствовать или превосходить солнечные батареи, ‒ заявляет Лебертон. ‒ И это ‒ не говоря уже о потенциальных применениях в других областях вроде биомедицинского зондирования и нанофлюидики».

Это исследование предвосхищает развитие широкого спектра технологических приложений в области получения и преобразования энергии. Например, как локальные источники для автономного питания водных устройств ‒ сейсмометров на дне океана, радиопередатчиков, исследовательских приборов.

Учитывая, что данная работа ‒ первый столь успешный проект по энергодобыче из такого ресурса, как смешение пресных и солёных океанических вод, в статье, опубликованной в журнале ScienceDirect, команда не без оснований утверждает, что применённое ею электронное кулоновское сопротивление, характеризующееся напряжением холостого хода и током короткого замыкания, может стать «новой парадигмой сбора энергии».

В связи с этим становится интересно, не может ли глобальное потепление со всем своим таянием ледников, обернуться для нас ещё одним из перспективных решений энергетического вопроса.

АРМК, по материалам Science X и ScienceDirect.