Nowatorska Metoda Wytwarzania Prądu z Soli i Lodu Bez Odpadów

Naukowcy dokonali fascynującego odkrycia: proste połączenie soli, lodu oraz mechanicznego naprężenia pozwala na generowanie energii elektrycznej bez generowania odpadów. Jest to otwarcie nowych perspektyw dla pozyskiwania odnawialnej energii w zamarzniętych środowiskach. Zespół badawczy opublikował swoje ustalenia 15 września w czasopiśmie Nature Materials. Donoszą oni, że stożkowate formy lodu solnego (zawierające około 25 procent soli wagowo), mniejsze niż ziarno czarnego pieprzu, są w stanie wytworzyć potencjał elektryczny rzędu 1 miliwolta.

Co więcej, zgrupowanie 2000 takich stożków mogłoby wygenerować około 2 woltów. Taka ilość energii jest już wystarczająca, by zasilić małą czerwoną diodę LED. To pokazuje, że nawet w niewielkiej skali ta technologia ma potencjał praktyczny.

Zjawisko to wyjaśnia się efektem fleksoelektrycznym. Jest to proces, w którym ciało stałe wytwarza ładunek elektryczny pod wpływem nierównomiernego odkształcenia mechanicznego. Czysty lód wykazuje bardzo słabą odpowiedź fleksoelektryczną, która może być powiązana z elektrycznością atmosferyczną, taką jak wyładowania piorunowe. Jednakże, dodatek soli, powszechnej zanieczyszczenia, transformuje lód w znacznie wydajniejszy generator prądu elektrycznego.

Fizyk Xin Wen wraz ze swoim zespołem rozwinął te badania, zamrażając słoną wodę w kształty stożków i belek. Następnie, używając specjalistycznego oprzyrządowania, badacze zginają te struktury solnego lodu, mierząc jednocześnie wytworzony ładunek elektryczny. Okazało się, że kształty stożkowe lepiej znosiły większe siły i generowały wyższe napięcia. Mniejsze stożki reagowały silniejszym wyjściem elektrycznym wywołanym naprężeniem. To sugeruje, że układy złożone z małych stożków mogą znacząco wzmocnić produkcję energii z solnych form lodowych.

Mechanizm leżący u podstaw tego zjawiska opiera się na warstwach solanki o skali nanometrycznej, uwięzionych pomiędzy ziarnami lodu. Kiedy lód jest zginany, powstają gradienty ciśnienia, które wypychają tę naładowaną solankę z obszarów ściśniętych do obszarów rozciągniętych. Ponieważ solanka zawiera jony dodatnio naładowane (kationy), ich przemieszczanie generuje prąd elektryczny typu strumieniowego. Ten strumieniowy efekt fleksoelektryczny jest znacząco potęgowany przez wpływ soli na mikrostrukturę lodu. Sól zmniejsza rozmiar ziaren lodu, pogrubia kanały solankowe i modyfikuje zachowanie cząsteczek wody, co ostatecznie wzmacnia właściwości dielektryczne oraz transport jonowy.

Chociaż chwilowo uzyskana moc elektryczna jest niewielka, to odkrycie otwiera drogę do wykorzystania solnego lodu jako odnawialnego źródła energii w chłodnych rejonach. Potencjalnie mogłoby to zasilać czujniki lub inne urządzenia o niskim zapotrzebowaniu na energię. Należy jednak pamiętać, że skalowanie tej technologii do zasilania codziennej elektroniki, takiej jak smartfony, jest obecnie wyzwaniem – wymagałoby to bloku słonego lodu o powierzchni dziesiątek, a nawet setek metrów kwadratowych.

Podsumowując, nowe zrozumienie fleksoelektryczności w naturalnie zasolonym lodzie nie tylko posuwa naprzód poszukiwania zrównoważonych rozwiązań energetycznych. Rzuca również światło na zjawiska geofizyczne i może być pomocne w badaniach lodowych światów w naszym Układzie Słonecznym, takich jak Europa czy Enceladus, gdzie solny lód pokrywa rozległe powierzchnie.