Новий метод генерації електрики без відходів: взаємодія солі та льоду

Науковці виявили простий спосіб виробництва електроенергії за допомогою солі, льоду та механічного навантаження, який не створює жодних відходів. Це відкриття може стати основою для нових методів отримання відновлюваної енергії в холодних регіонах планети. У науковому журналі Nature Materials 15 вересня дослідники опублікували результати своєї роботи, описавши, як конусоподібні структури із солоного льоду, що містять приблизно 25 відсотків солі за вагою і мають розмір менший за чорну горошину перцю, здатні генерувати електричний потенціал близько 1 мілівольта.

Щоб краще уявити масштаб цього явища, варто зазначити: колекція з 2000 таких конусів, організованих у масив, може виробити приблизно 2 вольти напруги. Такої потужності цілком достатньо для живлення невеликого стандартного світлодіода червоного кольору. Це наукове досягнення демонструє, що навіть прості матеріали, які можна знайти в заморожених областях, мають потенціал для використання в енергетичних цілях.

Основою цього електричного ефекту є флексоелектричне явище. Цей процес виникає, коли твердий матеріал генерує електричний заряд внаслідок нерівномірної механічної деформації. Хоча чистий лід демонструє лише слабку флексоелектричну реакцію, яку деякі вчені пов'язують з атмосферними явищами на кшталт блискавки, додавання солі як звичайної домішки суттєво посилює здатність льоду генерувати електричний струм.

Фізик Сінь Вень та його колектив просунули це дослідження вперед, заморожуючи солону воду у певні форми, зокрема конуси та балки. Потім вони використовували спеціалізоване обладнання для вигинання цих структур із соляного льоду, ретельно вимірюючи електричний заряд, що виникає. Конусоподібні форми виявилися найефективнішими, витримуючи більші навантаження та створюючи вищу напругу. Крім того, менші конуси демонстрували більшу електричну потужність при деформації, що вказує на значний потенціал масивів із цих мініатюрних конусів для підвищення загальної потужності, отриманої від соляних льодових структур.

Ключовий механізм цього процесу пов'язаний з наношарами рідкого розсолу, розташованими між кристалами льоду. Коли льодову структуру вигинають, створюються градієнти тиску, які ефективно переміщують цей заряджений розсіл із зон стиснення до ділянок, що розтягуються. Оскільки розсіл містить позитивно заряджені іони, які називають катіонами, їхній рух створює потоковий електричний струм.

Ефект потокової флексоелектричності значно посилюється присутністю солі. Сіль впливає на мікроструктуру льоду, зменшуючи розмір льодових зерен, збільшуючи товщину каналів розсолу та змінюючи поведінку молекул води, що в результаті покращує діелектричні властивості матеріалу та його здатність до іонного транспорту.

Хоча поточна електрична потужність залишається відносно невеликою, це відкриття вказує на те, що соляний лід потенційно може функціонувати як життєздатне джерело відновлюваної енергії в холодному кліматі, можливо, для живлення пристроїв з низьким енергоспоживанням або екологічних сенсорів. Проте масштабування цієї технології для задоволення потреб повсякденної електроніки, наприклад для зарядки смартфона, вимагатиме непрактично великого блоку соляного льоду, можливо, площею в десятки або навіть сотні квадратних метрів.

Поточні дослідницькі зусилля зосереджені на підвищенні ефективності цих збирачів енергії та зменшенні їхнього потенційного впливу на навколишнє середовище. Окрім практичних застосувань, це поглиблене розуміння флексоелектричності в природному соляному льоді не лише сприяє розвитку сталих енергетичних рішень, але й надає цінну інформацію про різні геофізичні процеси. Воно навіть може бути корисним для майбутніх досліджень крижаних небесних тіл нашої Сонячної системи, таких як Європа чи Енцелад, обидва з яких відомі своїми обширними поверхнями, вкритими соляним льодом.