Новая технология позволит обеспечить энергией сотню маленьких светодиодных ламп при помощи одной капли воды

Группа ученых, возглавляемая исследователями из Городского университета Гонконга, разработала электрогенератор на капельной основе с полевой транзисторной структурой (ПТС). Устройство обеспечивает высокую эффективность преобразования энергии и удельную мощность на несколько порядков выше, чем у аналогов без ПТС. Статья о разработке опубликована в журнале Nature.

Вода — перспективный источник для извлечения энергии. Однако низкочастотная кинетическая энергия, содержащаяся в волнах, приливах и даже каплях дождя, преобразуется в электроэнергию неэффективно из-за ограничений в современной технологии.

Уже давно известны трибоэлектрические капельные генераторы, которые извлекают энергию благодаря трению падающих капель о поверхность. Однако количество зарядов, генерируемых на поверхности, ограничено площадью контакта двух фаз, поэтому эффективность преобразования энергии в таком приборе очень низкая.

Исследователи около двух лет работали над проблемой улучшения энергетической конверсии в капельных генераторах. Его мгновенное значение удельной мощности достигает 50,1 Вт/м2, что в тысячи раз выше, чем у ранее созданных аналогов.

Разработке прибора поспособствовали два ключевых открытия. Ученые обнаружили, что капли воды, непрерывно падающие на поверхность из политетрафторэтилена (известен под коммерческим названием «тефлон»), способствуют накоплению генерируемых поверхностных зарядов до точки насыщения.

Вторым открытием стала уникальная конструкция базового элемента генератора, по своей структуре похожая на полевой транзистор — полупроводниковый прибор, являющийся основой современных электронных приборов. Устройство состоит из двух электродов: первый — алюминиевый, а второй сделан из оксида-индия олова и покрыт политетрафторэтиленом (PTFE/ITO-электрод).

Именно второй электрод отвечает за генерацию и накопление зарядов. Когда падающая капля воды попадает на поверхность PTFE/ITO и распространяется по ней, она естественным образом «соединяет» оба электрода, превращая исходную систему в замкнутую электрическую цепь. Благодаря такой конструкции на PTFE/ITO-электроде могут накапливаться поверхностные заряды с высокой плотностью. Когда вода соединяет два электрода, все накопленные заряды могут полностью высвобождаться и генерировать электрический ток.

«Наше исследование показывает, что капля воды объемом 100 микролитров, падающая с высоты 15 сантиметров, может создавать напряжение свыше 140 Вольт. А генерируемой при этом мощности достаточно для свечения 100 маленьких светодиодных лампочек, — говорит руководитель проекта Ван Цуанкай. — Кинетическая энергия, связанная с падающей водой, обусловлена гравитацией и может рассматриваться как <…> возобновляемая. Ее следует использовать лучше».

Ван Цуанкай выразил надежду, что результаты этого исследования помогут решить глобальную проблему нехватки энергии. «Выработка электричества из дождевых капель вместо нефти и ядерной энергии может способствовать устойчивому развитию цивилизации», — добавляет ученый. Новый генератор может быть установлен там, где жидкость контактирует с твердой поверхностью. Например, на ватерлинии корабля или на линии прилива.