Новый метод генерации электричества без отходов: сочетание соли и льда

Ученые совершили прорыв в области возобновляемой энергетики, обнаружив, что простая комбинация льда, соли и механического воздействия способна генерировать электричество без образования отходов. Это открывает новые горизонты для сбора энергии в замерзших условиях. Исследователи представили свои результаты 15 сентября в журнале Nature Materials. Они продемонстрировали, что конусообразные фрагменты соленого льда, содержащие около 25 процентов соли по массе, размером меньше черного перца горошком, могут создавать электрический потенциал порядка 1 милливольта.

Если собрать массив из 2000 таких конусов, можно получить около 2 вольт, что уже достаточно для питания небольшого красного светодиода. Этот процесс генерации электричества объясняется флексоэлектрическим эффектом. Это явление, при котором твердый материал генерирует электрический заряд под воздействием неравномерной механической деформации.

Хотя чистый лед демонстрирует лишь слабые флексоэлектрические свойства, которые, возможно, связаны с атмосферными явлениями вроде молний, добавление соли как распространенной примеси превращает лед в гораздо более эффективный источник электрического тока. Физик Синь Вэнь и его коллеги усовершенствовали это открытие, замораживая соленую воду в форме конусов и балок. Затем они использовали специализированное оборудование для изгибания этих соленых ледяных структур и измерения генерируемого заряда.

Было замечено, что конусообразные формы выдерживали большие нагрузки и генерировали более высокое напряжение. При этом меньшие конусы реагировали более сильным электрическим откликом на деформацию. Таким образом, массивы из мелких конусов обладают значительным потенциалом для увеличения выходной мощности солено-ледяных конструкций.

Основной механизм этого процесса связан с нанослоями жидкого рассола, запертыми между кристаллами льда. Когда лед изгибается, возникают градиенты давления, которые выталкивают заряженный рассол из сжатых областей в растянутые. Поскольку рассол содержит положительно заряженные ионы (катионы), их перемещение порождает электрический ток, подобный потоку. Этот эффект потоковой флексоэлектричности значительно усиливается благодаря влиянию соли на микроструктуру льда: соль уменьшает размер зерен льда, увеличивает толщину каналов рассола и изменяет поведение молекул воды, что в итоге улучшает диэлектрические свойства и ионный транспорт.

Несмотря на то, что полученная электрическая мощность пока скромна, данное открытие предполагает, что соленый лед может служить возобновляемым источником энергии в холодных регионах, потенциально обеспечивая питанием датчики или маломощные устройства. Однако масштабирование этой технологии для зарядки бытовой электроники остается сложной задачей. Например, для зарядки смартфона может потребоваться ледяной блок с солью площадью в десятки или даже сотни квадратных метров. Текущие исследования направлены на повышение эффективности и снижение воздействия таких ледяных преобразователей энергии на окружающую среду.

В целом, это новое понимание флексоэлектричества в естественно соленом льду не только продвигает разработку устойчивых энергетических решений, но и проливает свет на геофизические явления. Более того, эти знания могут быть полезны при изучении ледяных спутников в нашей Солнечной системе, таких как Европа или Энцелад, где соленый лед покрывает огромные поверхности.