Профессор Сокхён (Шон) Чой с кафедры электротехники и вычислительной техники Колледжа инженерии и прикладных наук имени Томаса Дж. Уотсона Binghamton University (США) вместе с аспирантами Гуанъя Юанем и Ян Гао разработал обои, которые превращают влагу из воздуха помещения в электрический ток. Результаты опубликованы в журнале Advanced Energy Materials.
В основе — миниатюрные влагоэлектрические генераторы (moist-electric generators, MEG). Они поглощают молекулы воды из воздуха. Влага ускоряет диссоциацию и перемещение ионов внутри материала, возникает градиент их концентрации. Разделение зарядов создает напряжение между двумя сторонами устройства. Свет для работы не нужен.
Почему именно в помещении
«Все прежние влагоэлектрические генераторы были рассчитаны на уличную влажность — снаружи много влаги, и это отличный энергоресурс, — говорит Чой. — Проблема в том, что они дают очень мало энергии, а условия на улице нестабильны из-за палящего солнца и непогоды. В помещении влажность постоянно держится в пределах 30–60%, а дыхание людей, приготовление пищи и душ добавляют влаги».
Конкурировать с мощными источниками энергии такие генераторы не должны. Их задача — питать маломощную электронику: датчики микроклимата, модули беспроводной связи, интерфейсы «умного» здания и другие устройства интернета вещей, которым нужны мощности от микроватт до милливатт.
Как устроена ячейка
Обычные генераторы такого типа имеют вертикальную или горизонтальную структуру с асимметричным распределением гигроскопичных материалов. Однако при масштабировании до размеров стены такая схема неэффективно использует площадь, а направленный перенос влаги на большой поверхности трудно поддерживать.
Опираясь на свои работы в области «бумажной электроники» (papertronics), Чой предложил архитектуру, похожую на микросхему на печатной плате:
- по краям каждой ячейки нанесен глицерин, который захватывает влагу из воздуха;
- в промежуточной зоне полимер (поливинилпирролидон) затягивает воду внутрь;
- центр ячейки пропитан воском: гидрофобные поры не пропускают жидкую воду, но выпускают пар.
Так на одном листе бумаги влага движется строго в одном направлении — от зоны поглощения к зоне испарения. Это поддерживает устойчивый градиент и непрерывную выработку тока. «Совместить три разные зоны на одном листе бумаги было непросто, но я хочу, чтобы все печаталось — тогда это можно выпускать серийно и в больших масштабах», — отмечает Чой.
Все соединения выведены на обратную сторону обоев, поэтому проводов на стене не видно. Исследователи сравнили последовательное и параллельное подключение ячеек — оба варианта дали близкую мощность.
Результаты испытаний
Одна ячейка выдает около 0,34 В при плотности мощности около 2,2 мкВт/см² при относительной влажности 80% и работает стабильно не менее 90 мин. Массив из 1596 ячеек питал беспроводную клавиатуру (через накопитель заряда) и одновременно снизил влажность в помещении с 38 до 32%.
Холодильник от таких обоев не запитать: мощность измеряется микроваттами. Но они могут заменить батарейки в датчиках, термостатах и других устройствах с низким энергопотреблением, которых в домах становится все больше.
«Мы тратим много энергии в системах ОВК на удаление влаги из воздуха. Используя эту концепцию, можно было бы снижать или регулировать влажность и одновременно вырабатывать электричество», — говорит Сокхён Чой.
