На иллюстрации изображен вариант генерации электрического разряда, который удалось создать падающей каплей воды (Luxian Li et al. / Science Advances). Согласно недавним сообщениям, группа китайских исследователей успешно достигла искрового потенциала в 1200 вольт при использовании падающих капель воды. В процессе образования электрической искры произошла ионизация газа при атмосферном давлении, что привело к разложению воды на водород и кислород. Результаты данного исследования были опубликованы в научном журнале Science Advances. Механизм генерации электроэнергии основан на формировании двойного электрического слоя, аналогичного принципу работы суперконденсаторов. При этом ранее наблюдаемое выходное напряжение, индуцированное каплями воды, достигало предела насыщения на уровне 350 вольт.
Основным ограничивающим фактором для такого источника энергии является плохое понимание физики движущихся капель по поверхностям. Теперь физики под руководством Го Ванлиня (Wanlin Guo) из Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики показали, что падающие капли воды могут стабильно производить искровой разряд с напряжением до 1200 вольт, что уже близко к теоретическому верхнему пределу.
Такого результата физики достигли, капая водопроводной водой с высоты 25 сантиметров на наклонную тефлоновую пластинку, расположенную на алюминиевой подложке (в качестве нижнего электрода) и с закрепленной на ней металлической полоской (верхний электрод). Электрический сигнал замеряли между этими двумя электродами и синхронизировали с записью на рапидной камере. Это позволило экспериментаторам оптимизировать параметры установки и описать происходящие процессы.
Схема эксперимента и полученные результаты. Luxian Li et al. / Science Advances
Чтобы объяснить и описать такое напряжение, ученые разработали комплексную модель, которая учитывает динамику контакта вода-электрод как в макромасштабе при распространении капель, так и на микроуровне при возникновении двойного электрического слоя. Физики показали, что для достижения сверхвысокого искрового потенциала необходима высокая скорость скольжения и большая площадь растекания капли, при этом толщина двойного электрического слоя должна быть как можно тоньше при коротком времени релаксации.
Ученые показали, что такой метод генерации электричества можно использовать для решения прикладных задач. Для этого они использовали оптимизированную установку в качестве импульсного источника. Возникающего напряжения от падающих капель воды оказалось достаточно, чтобы произвести ионизацию атомов гелия при атмосферном давлении или для проведения электролиза воды.
Ионизация гелия при атмосферном давлении с использованием капель воды в качестве импульсного источника напряжения. Luxian Li et al. / Science Advances
Гидролиз воды под действием импульсного источника напряжения, генерируемого падающими каплями. Luxian Li et al. / Science Advances
Физики считают, что достижение киловольтного напряжения, индуцированного падающими каплями, открывает дорогу новым гидроэлектрическим технологиям.
Для любознательных
Сегодня мы стоим на пороге глобальной технологической революции. Представьте себе мегаполис, который во время сильнейшего осеннего ливня не погружается в транспортный коллапс, а, напротив, выходит на пик своей энергетической мощности. Технология генераторов на основе эффекта капли (DEG) в связке с микроэлектролизом способна превратить обычные осадки в главный ресурс будущего — водородное топливо.
Каким станет наш мир, когда «дождевой электролиз» выйдет из лабораторий на улицы?
- Архитектура «живых» городов: фасады-электростанции
В будущем строительная индустрия откажется от пассивных отделочных материалов. Небоскребы в дождливых регионах планеты — от Лондона и Сингапура до Владивостока — покроют умными трибоэлектрическими фасадами.
Каждая плитка, каждое оконное стекло такой высотки будет покрыто ультратонкой прозрачной фторопластовой пленкой. Потоки воды, стекающие по стенам во время шторма, и миллионы бьющих в окна капель превратят здания в гигантские вертикальные генераторы. Прямо в подвальных помещениях таких домов будут установлены компактные автоматические электролизеры. Они будут улавливать этот ток, расщеплять воду и закачивать чистый водород в подземные хранилища, обеспечивая здание бесплатным теплом и светом на недели вперед.
- Одежда и гаджеты, которым не нужна розетка
Концепция носимой электроники изменится навсегда. Прогулка под дождем станет способом зарядить ваши устройства.
- Энерго-дождевики: Куртки и зонты из специального трибоэлектрического текстиля будут вырабатывать электричество от каждого удара капли.
- Автономные экспедиции: Для туристов, спасателей и военных в автономных походах такие ткани станут гарантией связи. Достаточно развернуть тент под ливнем, чтобы запустить процесс микроэлектролиза, получить водород, а затем через компактный топливный элемент запитать навигаторы, рации и обогреватели.
- Автономная эко-инфраструктура
Технология решит проблему энергоснабжения удаленных объектов, куда дорого и сложно тянуть линии электропередач.
- Умные трассы: Дорожные знаки, метеостанции и фонари на автомагистралях будут питаться от гибридных панелей (солнце + дождь). Осадки, которые раньше ухудшали видимость и создавали аварийные ситуации, станут источником энергии для подсветки дорожного полотна.
- Морской и речной мониторинг: Буи, отслеживающие уровень загрязнения воды или приближение цунами, будут использовать двойную силу: трибогенераторы будут собирать энергию как падающих капель дождя, так и брызг от морских волн, делая датчики абсолютно бессмертными.
- Революция в сельском хозяйстве
Современные теплицы требуют огромного количества энергии для поддержания микроклимата. Агрокомплексы будущего станут полностью замкнутыми экосистемами. Огромные площади крыш промышленных теплиц будут собирать дождевую воду и одновременно генерировать ток. Электричество пойдет на электролиз, а полученный водород — на обогрев корневой системы растений в холодные периоды.
Главные технологические вызовы: что предстоит решить?
Прежде чем это футуристическое будущее наступит, ученым предстоит решить три ключевые инженерные задачи:
- Проблема усталости материалов: Миллионы ударов капель создают микродеформации. Физики активно ищут «самозалечивающиеся» полимеры, способные сохранять трибоэлектрические свойства десятилетиями.
- Масштабируемость тока: Одна капля дает высокое напряжение, но очень малую силу тока. Ученые работают над созданием матричных систем, где тысячи микроэлектродных ячеек объединяются в общую сеть, как пиксели на экране, суммируя полученную энергию.
- Эффективность микроэлектролиза: Нужны новые, более дешевые катализаторы (без использования платины и иридия), которые смогут эффективно работать от нестабильного, пульсирующего тока, поступающего от генераторов дождя.
Когда ждать изменений?
Экспериментальные прототипы «дождевых панелей» уже тестируются в крупнейших научных центрах Азии, Европы и России. Эксперты прогнозируют, что первые коммерческие гибридные системы (совмещающие солнечные батареи и DEG-покрытия) появятся на рынке в ближайшие 7–10 лет. Сначала они займут нишу специализированного оборудования для экстремальных условий, а к середине XXI века станут такой же привычной частью городского пейзажа, как современные кондиционеры или камеры видеонаблюдения.
Автор: Дмитрий Рудик
Источник: https://nplus1.ru/
