Zout-IJs Combinatie Onthult Nieuwe, Afvalvrije Methode voor Elektriciteitsopwekking

Wetenschappers hebben een methode ontdekt waarbij een eenvoudige samenstelling van zout, ijs en mechanische spanning kan leiden tot de opwekking van elektriciteit zonder afval. Dit opent veelbelovende perspectieven voor het oogsten van hernieuwbare energie uit bevroren omgevingen. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen op 15 september in het tijdschrift Nature Materials. Zij rapporteerden dat kegelvormige stukjes zoutijs, die ongeveer 25 procent zout per gewicht bevatten en kleiner zijn dan een zwarte peperkorrel, een elektrisch potentieel van circa 1 millivolt kunnen genereren.

Wanneer men een reeks van 2.000 van deze kegeltjes samenbrengt, kan de totale output oplopen tot ongeveer 2 volt. Dit is voldoende om een kleine rode LED-lamp van stroom te voorzien. De basis voor deze elektriciteitsopwekking ligt in het zogenaamde flexo-elektrische effect. Dit fenomeen treedt op wanneer een vast materiaal een elektrische lading produceert onder invloed van een ongelijkmatige mechanische vervorming.

Hoewel puur ijs een zwakke flexo-elektriciteit vertoont – mogelijk gerelateerd aan atmosferische verschijnselen zoals bliksemontlading – transformeert de aanwezigheid van zout, een veelvoorkomende onzuiverheid, ijs in een significant efficiëntere generator van elektrische stroom. Dit is een cruciaal inzicht voor het benutten van deze energiebron.

Fysicus Xin Wen en zijn team hebben dit onderzoek naar een hoger niveau getild door zout water in zowel kegel- als balkvormen te bevriezen. Vervolgens gebruikten zij gespecialiseerde apparatuur om deze zoutijsvormen te buigen en de opgewekte elektrische lading nauwkeurig te meten. De kegelvormen bleken beter bestand tegen hoge krachten en genereerden hogere spanningen. Bovendien reageerden kleinere kegels met een grotere elektrische output bij spanning, wat wijst op een schaalvoordeel bij het gebruik van kleine structuren.

Het onderliggende principe berust op nanoscopische lagen vloeibaar pekelwater die gevangen zitten tussen de ijskristallen. Wanneer het ijs wordt gebogen, ontstaan er drukgradiënten die dit geladen pekelwater van de samengedrukte naar de uitgerekte gebieden duwen. Omdat het pekelwater positief geladen ionen (kationen) bevat, resulteert deze beweging in een stromende elektrische stroom. Dit zogenaamde stromende flexo-elektrische effect wordt sterk versterkt door de invloed van zout op de microstructuur van het ijs.

Het zout zorgt namelijk voor een verkleining van de ijskristallen, een toename van de dikte van de pekelkanalen en een verandering in het gedrag van de watermoleculen, wat de diëlektrische eigenschappen en het ionentransport ten goede komt. Hoewel de momenteel opgewekte hoeveelheid elektriciteit nog bescheiden is, suggereert deze ontdekking dat zoutijs een hernieuwbare energiebron zou kunnen zijn in koude klimaten, mogelijk voor het voeden van sensoren of andere apparaten met een laag energieverbruik.

Het opschalen van deze technologie om alledaagse elektronica van stroom te voorzien, blijft echter een flinke uitdaging. Het opladen van bijvoorbeeld een smartphone zou een blok zoutijs van tientallen tot honderden vierkante meters vereisen. Lopende onderzoeken richten zich op het verbeteren van de efficiëntie en het verminderen van de milieu-impact van dit soort ijsgebaseerde energieopwekkers. Deze nieuwe kennis over flexo-elektriciteit in natuurlijk zoutijs verrijkt niet alleen de mogelijkheden voor duurzame energieoplossingen, maar werpt ook licht op geofysische fenomenen en kan relevant zijn voor de studie van ijzige hemellichamen in ons zonnestelsel, zoals Europa of Enceladus, waar uitgestrekte oppervlakken bedekt zijn met zoutijs.