Андрей Фельдман. Advanced Science News. 23 апреля 2025 г.
Исследователи разработали новый генератор электроэнергии, который получает энергию от испаряющейся в воздух воды. В отличие от обычных гидроэлектрических систем, которые полагаются на механических посредников, новое устройство использует испарение напрямую для производства полезной электроэнергии. Изобретение команды, описанное как «эвапоэлектрика», может проложить путь для устойчивой электроники без батареек, работающей от влажности окружающей среды.
Исследователи разработали новый генератор электроэнергии, который получает энергию от испаряющейся в воздух воды. В отличие от обычных гидроэлектрических систем, которые полагаются на механических посредников, новое устройство использует испарение напрямую для производства полезной электроэнергии. Изобретение команды, описанное как «эвапоэлектрика», может проложить путь для устойчивой электроники без батареек, работающей от влажности окружающей среды.
«Гидроэлектроэнергия — это способ получения электроэнергии из воды, в частности, путем использования энергии, выделяемой при изменении влажности, испарении или движении воды», — написал в электронном письме профессор Ади Суварди из Китайского университета Гонконга и один из ведущих авторов исследования. «Это обильный и богатый источник энергии, для которого не нужен солнечный свет или крупное оборудование!». Хотя идея получения электроэнергии из воды существует уже давно, современные методы часто страдают низкой эффективностью из-за потерь энергии в процессе преобразования. «Пока что мощность, вырабатываемая гидроэлектростанциями, относительно невелика», — пояснил Суварди. «Это связано с косвенным преобразованием энергии. Например, энергия от движения или испарения воды обычно сначала преобразуется в механическую энергию, а затем в электричество. Это приводит к неэффективности». Команда стремилась устранить эти неэффективности, разработав систему, которая полностью обходит механический этап. Их решение: «генератор эвапоэлектрики», который не использует ничего, кроме мягкого водоудерживающего геля и термоэлектрического компонента.
Испарение встречается с термоэлектричеством
В основе устройства, описанного в исследовании, опубликованном в журнале Advanced Functional Materials , лежит пористый гидрогель поливинилспирта (ПВС) — по сути, губчатый, влаголюбивый материал, который с течением времени равномерно впитывает и выделяет влагу.
«ПВА-гидрогель — это мягкий, впитывающий воду материал, изготовленный из поливинилового спирта», — сказал Суварди. «Он очень хорошо удерживает воду, как супервпитывающая кухонная губка или подгузник». Когда вода испаряется с поверхности гидрогеля, она охлаждает гель — примерно так же, как пот охлаждает кожу. Это создает небольшую, но устойчивую разницу температур между охлажденным гелем и более теплым базовым слоем. Между ними находится термоэлектрический генератор, который преобразует разницу температур в электрическое напряжение.
«Наш генератор эвапоэлектрики построен как аккуратная маленькая стопка», — сказал Суварди. «Сверху находится тонкий слой гидрогеля ПВА, имеющий форму небольшого квадрата и толщиной всего в долю сантиметра в наиболее эффективной версии. Под ним находится термоэлектрический генератор, а под ним — радиатор, который помогает поддерживать температуру, близкую к температуре окружающего воздуха. Гидрогель находится на термоэлектрическом генераторе, впитывая воду и позволяя ей испаряться естественным образом». «Мощность электричества, вырабатываемая устройством, была более чем в три раза выше, чем у традиционных гидроэлектрических систем», — добавил Цзин Цао из Национального университета Сингапура, соавтор исследования. «Более того, это было достигнуто в реалистичных условиях окружающей среды — 26 градусов по Цельсию, влажность 40% и легкий ветерок, сравнимый со скоростью медленной ходьбы».
Практическая мощность для небольших устройств
Несмотря на скромную мощность, система уже достаточно мощна для работы базовой электроники. В ходе экспериментов команда успешно использовала устройство для работы небольшого жидкокристаллического дисплея. «Мощности было достаточно для работы небольшого ЖК-дисплея, что показывает, что ее достаточно для питания маломощных гаджетов», — сказал Цао. Один из ключей к успеху устройства заключается в толщине слоя гидрогеля. Более тонкие листы — около 0,8 миллиметра — более эффективно передавали охлаждение термоэлектрическому генератору, увеличивая выходную мощность. Более толстые слои удерживали больше воды, но действовали как изоляторы, снижая температурный градиент и, вместе с ним, вырабатываемое напряжение. По словам исследователей, дальнейшее улучшение материалов может значительно повысить производительность. «Наши предварительные результаты указывают на то, что улучшение термоэлектрического генератора и конструкции гидрогеля может дополнительно повысить мощность в три-пять раз или даже в десять раз», — сказал Цао.
На пути к реальным приложениям
Хотя исследование все еще находится на относительно ранней стадии, команда видит большой потенциал для коммерческого применения в течение следующих нескольких лет. «При хорошем трансфере технологий путь от лаборатории до полок магазинов может занять от трех до пяти лет», — сказал Цао. Одной из самых перспективных областей является носимые технологии. Такие устройства, как фитнес-трекеры и датчики окружающей среды, однажды смогут непрерывно работать на влаге из воздуха — или даже напрямую от пота. «Представьте себе крошечные датчики или носимые устройства для отслеживания здоровья, например фитнес-браслет, которые работают на влаге из воздуха или вашего пота, и батарейки не нужны!» — предложил Цао.
Заглядывая вперед, исследователи надеются еще больше усовершенствовать свою конструкцию. Возможные улучшения включают более эффективные термоэлектрические модули, лучшие теплоотводы и изменения поверхности геля для ускорения испарения. «Мы могли бы улучшить соединение гидрогеля с генератором, чтобы уменьшить потери тепла, стремясь к мечте о 25 Вт на квадратный метр», — сказал Цао. Исследование также показало, что изменения в концентрации ПВА не оказывают существенного влияния на производительность, открывая двери для экономически эффективных и долговечных гелевых формул. Такая гибкость может оказаться решающей для масштабирования технологии.
«В первые дни существования солнечных панелей эффективность составляла всего около 6%, а сейчас она превышает 30%, — сказал Цао. — При хорошем внедрении технологий и постоянной работе исследовательского сообщества мы могли бы увидеть аналогичный скачок, может быть, даже больший. Это поможет открыть двери в мир технологий без батарей, работающих на воде».
Ссылка: Цзычен Гун, Ади Суварди и Цзин Цао, Генерация электроэнергии путем испарения воды из окружающей среды при отсутствии солнечного света с помощью пористых гидрогелей на основе ПВС , Advanced Functional Materials (2025). DOI: 10.1002/adfm.202423371
Изображение предоставлено: WalterBieck на Pixabay
фото: Энтони Эйрд