Эффективная добыча энергии из экологически чистых источников имеет большое значение для построения устойчивых энергосистем. В последнее время все большее внимание уделяется производству электричества из воды, поскольку именно в ней заключено огромное количество чистой энергии.

Ученые научились вырабатывать электричество из древесины. Credit: Pixabay

Сегодня, когда энергия является критически важным аспектом для многих жителей нашей планеты, исследователям из Швеции удалось извлечь электричество, пропустив воду через очищенную древесину.

Разработанная инженерами Королевского технологического института KTH, новая технология основана на естественном процессе, после помещения древесины в воду и испарения воды. Процесс транспирации - движения воды через растение и её испарение через наружные органы растения, такие как листья, стебли и цветки - происходит в природе постоянно. Во время этого процесса вырабатывается небольшое количество электроэнергии, или другими словами - биоэлектричество.

Исследователи KTH утверждают, что с помощью регулировки уровня pH и нанотехнологий из древесины можно вырабатывать "небольшое, но весьма перспективное количество электроэнергии".

Слева - натуральная древесина. Три куска древесины справа подверглись различным видам обработки, что позволило увеличить площадь поверхности и сузить поры, обеспечивая при этом быструю транспортировку воды внутри материала. Credit: Jonas Garemark.

Эффективность генерации энергии при испарении воды из древесины определяется несколькими факторами, такими как площадь, пористость (плотность) материала, поверхностный заряд, скорость прохождения воды через материал и собственно водный раствор. Изменяя наноразмерный состав древесины, исследователи улучшили свойства материала.

"Мы сравнили пористую структуру в обычной древесине с материалом, который мы оптимизировали, с точки зрения качества обработки, пористости, поверхностного заряда и транспортировки воды. В результате мы смогли увеличить количество производимой электроэнергии более чем в десять раз по сравнению с натуральной древесиной", - говорит Юаньюань Ли, доцент кафедры биокомпозитных материалов Королевского технологического института.

По словам ученых, дальнейшая корректировка разницы рН между древесиной и водой, обусловленная градиентом концентрации ионов, позволяет добиться разности потенциалов в один вольт и впечатляющей мощности в 1,35 микроватт на квадратный сантиметр.

Схема формирования древесных электрогенераторов. Credit: Yuanyuan Li,
При пропускании воды через пористые среды, сопровождаемом испарением воды, можно получить потоковый ток и разность потенциалов благодаря наличию двойного электрического слоя (EDL) на границе раздела твердое тело-жидкость. Такое явление называется электрокинетическим эффектом. На основе этих механизмов были исследованы различные материалы для получения энергии.

"На данный момент мы можем питать небольшие устройства, к примеру, светодиодные лампы или калькулятор", - говорит Ли. "А если бы мы захотели, подключить ноутбук, нам бы потребовалось около одного квадратного метра древесины толщиной около одного сантиметра и около двух литров воды. Конечно, для того чтобы обеспечить электроэнергией обычное домашнее хозяйство, потребуется гораздо больше материалов, поэтому необходимо провести дополнительные исследования".

По словам разработчиков новой технологии, на данном этапе древесина способна обеспечивать подачу "высокого" напряжения в течение 2-3 часов, после чего разность потенциалов начинает снижаться. Ученые уже провели десять циклов с водой без снижения характеристик материала.

"Большое преимущество этой технологии заключается в том, что древесина может быть легко использована для других целей после того, как она истощится как источник энергии, например, для производства прозрачной бумаги, древесной пены и различных биокомпозитов", - утверждает Ли. 

Источники и ссылки: Journal Inceptive Mind, Site Royal Institute of Technology, Journal Eurekalert.
1. (https://www.eurekalert.org/news-releases/973843)
2. (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202208933)
3. (https://www.inceptivemind.com/harvesting-electricity-wood-soaking-water/28702/)
4. (https://www.kth.se/en/om/miljo-hallbar-utveckling/mhu-nyheter/nyheter/forskarna-framstaller-el-ur-tra-1.1209584)