Οι επιστήμονες έχουν δείξει ότι το βαμβάκι μπορεί να λειτουργήσει ως πηγή ενέργειας και να συλλέγει ηλεκτρική ενέργεια από την υγρασία. Οι επιστήμονες έχουν πλέον επιδείξει έναν τρόπο μετατροπής ενός συνηθισμένου βαμβακερού υφάσματος σε μια αυτοσυντηρούμενη γεννήτρια ηλεκτρικής ενέργειας που λειτουργεί μέρα και νύχτα αντλώντας ενέργεια από την υγρασία στον αέρα.
Τι προβλέπει η νέα καινοτομία
Η καινοτομία βασίζεται σε προσεκτικά σχεδιασμένες πολυμερείς επιστρώσεις που διατηρούν μια συνεχή ροή ιόντων, επιτρέποντας σταθερή ηλεκτρική έξοδο χωρίς μπαταρίες ή εξωτερικές πηγές ενέργειας.
Το ύφασμα είναι επικαλυμμένο με πολυπυρρόλιο και πολυδοπαμίνη, δύο πολυμερή με αντίθετες οπτικές και χημικές ιδιότητες. Το πολυπυρρόλιο απορροφά έντονα το φως σε ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος και το μετατρέπει αποτελεσματικά σε θερμότητα. Όταν εκτίθεται στο ηλιακό φως, θερμαίνεται γρήγορα και προκαλεί γρήγορη εξάτμιση του νερού. Η πολυδοπαμίνη, αντίθετα, αντανακλά περισσότερο φως και εξατμίζει το νερό πιο αργά, επιτρέποντάς της να διατηρεί την υγρασία.
Οι ερευνητές επικάλυψαν μόνο το μισό του υφάσματος που είχε υποστεί επεξεργασία με πολυπυρρόλιο με πολυδοπαμίνη. Αυτή η ασύμμετρη δομή διασφαλίζει ότι η μία πλευρά του υφάσματος παραμένει σχετικά υγρή ενώ η άλλη στεγνώνει συνεχώς. Το αποτέλεσμα είναι μια επίμονη κλίση υγρασίας που οδηγεί τη μεταφορά ιόντων μέσω των μικροσκοπικών καναλιών του βαμβακιού.
Γεννήτρια υγρασίας με φωτοθερμική εξάτμιση
Η ομάδα ανέπτυξε μια φωτοθερμική γεννήτρια υγρασίας με εξάτμιση (PEMG) που τροποποιεί ένα βαμβακερό ύφασμα με πολυμερισμένο πυρρόλιο in situ από μια έγχρωμη μεμβράνη με δομή πολυντοπαμίνης (PDA) για να σχηματίσει μια ασύμμετρη φωτοθερμική κλίση θερμοκρασίας.
Η ομάδα αποκάλυψε ότι το ασύμμετρο φωτοθερμικό στρώμα PDA όχι μόνο αντιμετωπίζει αποτελεσματικά το ζήτημα της ανεπαρκούς, βιώσιμης παραγωγής ενέργειας που προκαλείται από τον κορεσμό προσρόφησης νερού, αλλά μετριάζει επίσης την ασταθή κλίση υγρασίας που προκύπτει από την υπερβολική εξάτμιση του νερού.
«Οι λευκές λάμπες LED εκπέμπουν μια σταθερή ροή φωτός για περισσότερο από 24 ώρες. Επιπλέον, η τάση VOC της PEMG (έξι μονάδες σε σειρά) φτάνει τα 1,18 V σε μέση ηλιακή ένταση 1000 W m−2 και 43% RH, ενώ η τάση VOC είναι 0,72 V τη νύχτα (52% RH). Εν τω μεταξύ, τα φορητά συστήματα που έχουν σχεδιαστεί με ενσωματωμένες μονάδες PEMG παρέχουν επαρκή τροφοδοσία για ηλεκτρονικές συσκευές υπό φυσικές συνθήκες», ανέφεραν οι ερευνητές της μελέτης.
Ποια είναι η διαδικασία;
Η διαδικασία κατασκευής ξεκινά με ακατέργαστο βαμβάκι βυθισμένο σε ένα διάλυμα που περιέχει μονομερή πυρρολίου και άλλα πρόσθετα. Ο πολυμερισμός ενεργοποιείται απευθείας στις ίνες, σχηματίζοντας ένα αγώγιμο, μαύρο στρώμα πολυπυρρολίου που απορροφά σχεδόν όλο το εισερχόμενο φως, ανέφερε η Nanowerk.
Στη συνέχεια, το μισό ύφασμα εκτίθεται σε ένα αλκαλικό διάλυμα ντοπαμίνης για σχεδόν μια ημέρα. Κατά τη διάρκεια αυτού του βήματος, τα μόρια ντοπαμίνης αυτοσυναρμολογούνται σε μια εξαιρετικά λεπτή μεμβράνη. Το πάχος αυτού του στρώματος προκαλεί φαινόμενα παρεμβολής φωτός, δίνοντας στο ύφασμα μια έντονη μωβ εμφάνιση παρόμοια με τα χρώματα που παρατηρούνται στις σαπουνόφουσκες. Αυτό το στρώμα απορροφά σημαντικά λιγότερο φως από την πολυπυρρόλη, δημιουργώντας μια ενσωματωμένη θερμική αντίθεση.
Υπό προσομοίωση ηλιακού φωτός, η πλευρά της πολυπυρρόλης θερμαίνεται σημαντικά περισσότερο από την πλευρά της πολυντοπαμίνης. Αυτή η διαφορά θερμοκρασίας επιταχύνει την εξάτμιση στη μία πλευρά και τραβάει συνεχώς νερό από την άλλη, διατηρώντας σταθερή ροή ιόντων.
Συνδέοντας πολλαπλές μονάδες υφάσματος σε σειρά, οι ερευνητές επέδειξαν συνεχή λειτουργία σε συνθήκες ημέρας και νύχτας. Συστοιχίες αυτών των μονάδων τροφοδοτούσαν φώτα LED για περισσότερες από 24 ώρες χωρίς διακοπή.
Υποσχηματιστικό για φορητές ηλεκτρονικές συσκευές
Η τεχνολογία είναι ιδιαίτερα πολλά υποσχόμενη για φορητές ηλεκτρονικές συσκευές. Όταν ράβεται σε ένα γιλέκο, το ύφασμα παρήγαγε υψηλότερες τάσεις κατά τη διάρκεια υπαίθριας δραστηριότητας, καθώς ο ιδρώτας συμπλήρωνε την υγρασία περιβάλλοντος. Η ενέργεια που συλλέχθηκε ήταν επαρκής για τη φόρτιση πυκνωτών, την τροφοδοσία μικρών φωτιστικών, ακόμη και τη λειτουργία ασύρματων συσκευών ήχου.
Οι μηχανικές δοκιμές έδειξαν ότι η κάμψη, η τριβή και το πλύσιμο είχαν μικρή επίδραση στην απόδοση, υπογραμμίζοντας την ανθεκτικότητα των πολυμερικών επιστρώσεων και τη συμβατότητά τους με την πραγματική χρήση.
Οι ερευνητές διερεύνησαν επίσης πώς οι περιβαλλοντικές συνθήκες επηρεάζουν την έξοδο. Η όξινη υγρασία αύξησε σημαντικά την τάση, καθώς τα πρωτόνια λειτουργούν ως αποτελεσματικοί φορείς φορτίου. Ορισμένα διαλυμένα άλατα βελτίωσαν περαιτέρω την απόδοση αυξάνοντας τη μεταφορά ηλεκτρονίων στη διεπαφή πολυμερούς-νερού. Η υπολογιστική ανάλυση επιβεβαίωσε ότι τα ιοντικά διαλύματα ενισχύουν την ανταλλαγή φορτίου, οδηγώντας σε ισχυρότερα ηλεκτρικά σήματα.
Ενσωματώνοντας την ασυμμετρία τόσο στις θερμικές όσο και στις χημικές ιδιότητες, αυτό το σύστημα με βάση το βαμβάκι διατηρεί τη δική του κινητήρια δύναμη υπό καθημερινές περιβαλλοντικές συνθήκες. Σε αντίθεση με τις μπαταρίες, δεν απαιτεί επαναφόρτιση, δεν περιέχει άκαμπτα εξαρτήματα και δεν υποβαθμίζεται γρήγορα με την πάροδο του χρόνου.
www.worldenergynews.gr
