Учёные Бингемптонского университета (США) предложили альтернативу солнечным панелям на крышах домов — электроэнергию можно вырабатывать и внутри самого дома. В новой работе они описали технологию преобразования влажности воздуха в помещении в слабый электрический ток.
Источник изображений: binghamton.edu
Гигроэлектрические генераторы преобразуют влажность воздуха в электричество — до настоящего момента они использовались на открытом воздухе, вырабатывая микроватты энергии на квадратный сантиметр. Сложности для работы таких установок создают нестабильные погодные условия — ветер, колебания влажности и температуры воздуха. В этом плане условия внутри помещений обладают преимуществом: там поддерживается относительно постоянный уровень влажности — от 30 до 60 %, — и дополнительную влагу создаёт повседневная деятельность жильцов, такая как дыхание, приготовление пищи и водные процедуры.
Способные генерировать электричество обои создали на основе лабораторной бумаги Whatman 3 MM толщиной 340 мкм; соединения скрытно проложили с тыльной стороны. Две стороны листа соединяются через отверстия диаметром 1 мм — они прорезаются лазером и заполняются серебряной краской. Производственный процесс предполагает восковую и трафаретную печать, распыление вещества и лазерную обработку — условия «чистой комнаты» не требуются. Учёные стремятся к тому, чтобы все компоненты можно было изготавливать пригодным для массового производства методом печати.
Обои состоят из бумажных квадратов размером 2 × 2 см, каждый из которых поделён на три зоны. На край нанесена глицериносодержащая смесь — глицерин поглощает из воздуха водяной пар и превращает его в жидкую воду внутри бумаги. В средней зоне находится полимерный материал поливинилпирролидон (ПВП) — он имеет мелкие поры и прочнее удерживает воду, за счёт чего капиллярный эффект помогает затянуть влагу внутрь. А центральная часть обработана воском — он отталкивает жидкую воду, но сохраняет микроскопические поры, позволяя пару выходить наружу.
Химия в составе глицерина, целлюлозы и ПВП способствует высвобождению протонов (ионов водорода) из молекул воды. По краям таких скоплений образуется больше, в результате чего возникает электрический ток, который принимают графитовые электроды. Выходные показатели пока невелики: один элемент выдал напряжение около 0,34 В при влажности 80 %, а цепь из десяти элементов — около 2,9 В. Массив из 35 элементов обеспечил работу датчика влажности в течение примерно 15 минут, а самый крупный массив из 1596 элементов выдал 3,5 В при влажности около 38 %. Этого хватило для питания беспроводной клавиатуры на конденсаторе — итоговая величина мощности для настенной конфигурации не приводится.
Предложенный учёными материал работает и как буфер влажности, поглощая влагу и отдавая её обратно. В герметичной камере 30 × 30 × 15 см 28 элементов за четыре минуты снизили влажность с 75 до 50 %. Насыщенная водой бумага повысила влажность сухого воздуха с 15 до 20 % за 16 минут. В обычном помещении большой массив за 15 минут снизил влажность с 38 до 32 %.
Пока исследователям достаточно лишь подтвердить концепцию технологии. Реалистичная цель — обеспечить питание сенсоров, беспроводных модулей и устройств интернета вещей, а не заменить электросеть или солнечные панели. Если материал окажется достаточно долговечным, стена станет автономным датчиком, способным следить за состоянием воздуха в помещении.