חוקרים מינפו את האפקט ההידרו-וולטאי, תוך שימוש במכשירים בקנה מידה ננומטרי כדי להמיר אנרגיית אידוי לחשמל, לקדם את ההבנה שלנו לגבי אופן פעולת המכשירים הללו על פני רמות מליחות שונות, ופתחו אפשרויות לייצור אנרגיה מתחדשת והחזרת חום פסולת. קרדיט: twoday.co.il.com
חוקרי EPFL גילו את זה בקנה מידה ננו מכשירים הרותמים את האפקט ההידרואלקטרי יכולים לקצור חשמל מהתאדות של נוזלים עם ריכוזי יונים גבוהים יותר מאשר מים מטוהרים, וחושפים פוטנציאל אנרגיה עצום שלא מנוצל.
אידוי הוא תהליך טבעי כל כך קיים בכל מקום שרובנו לוקחים אותו כמובן מאליו. למעשה, בערך מחצית מאנרגיית השמש המגיעה לכדור הארץ מניעה תהליכי אידוי. מאז 2017, חוקרים פועלים לרתום את הפוטנציאל האנרגטי של אידוי באמצעות אפקט ההידרו-וולאי (HV), המאפשר לאסוף חשמל כאשר נוזל מועבר על פני השטח הטעונים של מכשיר ננומטרי. אידוי מייצר זרימה מתמשכת בתוך ננו-תעלות בתוך התקנים אלה, הפועלים כמנגנוני שאיבה פסיביים. השפעה זו נראית גם במיקרונימיים של צמחים, שם מתרחשת הובלת מים הודות לשילוב של לחץ נימי והתאיידות טבעית.
למרות שקיימים כיום מכשירים הידרו-וולטאיים, יש מעט מאוד הבנה פונקציונלית של התנאים והתופעות הפיזיקליות השולטות בייצור אנרגיית HV בקנה מידה ננו. זה פער מידע שג'וליה טגליאבה, ראש המעבדה לננו-מדעים לטכנולוגיית אנרגיה (LNET) בבית הספר להנדסה, והסטודנטית לדוקטורט טאריק אנואר רצו למלא. הם מינפו שילוב של ניסויים ומודלים מולטי-פיזיקליים כדי לאפיין זרימות נוזלים, זרימות יונים והשפעות אלקטרוסטטיות עקב אינטראקציות מוצק-נוזל, במטרה לייעל התקני HV.
סריקת תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים של ננו-עמודי הסיליקון. קרדיט: © Tarique Anwar, LNET EPFL, CC BY SA
"הודות לפלטפורמה החדשנית, המבוקרת ביותר, זהו המחקר הראשון שמכמת את התופעות ההידרופולטאיות הללו על ידי הדגשת המשמעות של אינטראקציות שונות בין פנים. אבל תוך כדי התהליך, מצאנו גם ממצא מרכזי: שמכשירים הידרופולטאיים יכולים לפעול בטווח רחב של מליחות, בניגוד להבנה המוקדמת שנדרשו מים מטוהרים מאוד לביצועים הטובים ביותר", אומר טגליאבו.
מחקר LNET פורסם לאחרונה בכתב העת Cell Press התקן.
מודל מולטיפיסיקה חושפני
המכשיר של החוקרים מייצג את היישום ההידרופולטאי הראשון של טכניקה הנקראת ליתוגרפיה קולואידית ננוספרית, שאפשרה להם ליצור רשת משושה של ננו-עמודי סיליקון מרווחים במדויק. המרווחים בין הננו-עמודים יצרו את התעלות המושלמות לאידוי דגימות נוזלים, וניתן היה לכוונן היטב כדי להבין טוב יותר את ההשפעות של כליאת נוזלים ואת אזור המגע של מוצק/נוזל.
"ברוב המערכות הנוזליות המכילות תמיסות מלח, יש לך מספר שווה של יונים חיוביים ושליליים. עם זאת, כאשר אתה מגביל את הנוזל לננו-תעלה, יישארו רק יונים עם קוטביות הפוכה לזו של מטען פני השטח", מסביר אנואר. "זה אומר שאם תאפשר לנוזל לזרום דרך הננו-תעל, תייצר זרם ומתחים."
"זה חוזר לממצא העיקרי שלנו שניתן לנצל את שיווי המשקל הכימי למטען פני השטח של הננו-התקן כדי להרחיב את פעולתם של מכשירים הידרופולטאיים על פני סולם המליחות", מוסיף טגליאבה. "אכן, ככל שריכוז יוני הנוזל עולה, כך גם מטען פני השטח של הננו-התקן עולה. כתוצאה מכך, אנו יכולים להשתמש בתעלות נוזלים גדולות יותר תוך כדי עבודה עם נוזלים בריכוז גבוה יותר. זה מקל על ייצור מכשירים לשימוש עם מי ברז או ים, בניגוד למים מטוהרים בלבד".
מים, מים בכל מקום
מכיוון שאידוי יכול להתרחש ברציפות בטווח רחב של טמפרטורות ולחות – ואפילו בלילה – ישנם יישומים פוטנציאליים רבים ומלהיבים עבור התקני HV יעילים יותר. החוקרים מקווים לבחון את הפוטנציאל הזה בתמיכת מענק התחלת הקרן הלאומית למדע שוויצרית, שמטרתה לפתח "פרדיגמה חדשה לחלוטין לשחזור חום פסולת ויצירת אנרגיה מתחדשת בהיקפים גדולים וקטנים", כולל מודול אב-טיפוס במציאות -תנאי העולם באגם ז'נבה.
ומכיוון שתיאורטית ניתן להפעיל מכשירי HV בכל מקום שיש בו נוזלים – או אפילו לחות, כמו זיעה – הם יכולים לשמש גם להפעלת חיישנים עבור מכשירים מחוברים, מטלוויזיות חכמות וכלה בבריאות וכושר לבישים. עם המומחיות של LNET במערכות קציר ואחסון של אנרגיית אור, Tagliabue גם להוט לראות כיצד ניתן להשתמש בהשפעות אור ופוטותרמיות כדי לשלוט במטענים על פני השטח ובקצבי האידוי במערכות HV.
לבסוף, החוקרים רואים גם סינרגיות חשובות בין מערכות HV לייצור מים נקיים.
"האידוי הטבעי משמש להנעת תהליכי התפלה, מכיוון שניתן לקצור מים מתוקים ממים מלוחים על ידי עיבוי האדים המיוצרים על ידי משטח אידוי. כעת, אתה יכול לדמיין שימוש במערכת HV הן לייצור מים נקיים והן לרתום חשמל בו זמנית", מסביר אנואר.
