В Швейцарии придумали «вечные» батарейки, которые всегда оживают после дождя
Тёплый летний дождик и солнце в небе способны творить чудеса, включая поддержку работы «вечных» батарей в полях и лесах для датчиков и мелкой электроники. Этому помогли исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL), которые разработали интересные генераторы электричества — те непрерывно вырабатывают ток за счёт простого испарения воды. Свет и тепло многократно ускоряют реакции, поэтому исключительно приветствуются.
Новая работа стала продолжением исследования 2024 года. Тогда учёные сообщили, что создали гидроэлектрическое устройство, для работы которого не нужна высокоочищенная вода. Для выработки электричества подойдёт вода любой солёности — от водопроводной до морской. Это делает решение доступным для экономичного использования, ведь высокоочищенная вода — дорогое удовольствие.
В работе двухлетней давности учёные рассказали о базовой платформе для изучения явления гидроэлектричества. Теперь они представили работающий модуль на её основе, в создание которого вложили полученные ранее знания. По сути, они создали трёхслойный генератор, работающий на любой доступной воде. Это уже не научный инструмент — это потенциально коммерческий продукт.
В разработке верхний слой обеспечивает испарение влаги, естественным образом создавая восходящий поток жидкости. Жидкость (вода) переносит к верхнему краю растворённые в ней ионы, что приводит к образованию поверхностного заряда и разделению зарядов на «верхний» и «нижний», а это, в свою очередь, порождает ток. Средний слой отвечает за транспорт этих ионов, а нижний слой представляет собой наноструктурированный кремниевый электрод — массив кремниевых наностолбиков.
Кремниевые наностолбики играют три важные роли. Во-первых, при освещении солнцем кремний, как и положено этому полупроводнику, испускает электроны — это дополнительный источник тока в данном генераторе. Во-вторых, наностолбики способствуют перемещению ионов. В-третьих, на верхней кромке столбиков — на границе сред с жидкостью — также возникает заряд и электромагнитное поле, ускоряющее перенос ионов.
Учёные отмечают, что производительность генератора значительно возрастает под воздействием тепла и солнечного света. Без света он генерирует лишь небольшое напряжение, но при попадании на кремний фотонов производительность увеличивается в пять раз. Электрическое поле, созданное ионным дисбалансом на гребне столбиков, направляет возбуждённые в кремнии электроны во внешнюю цепь, создавая дополнительный полезный ток. Тепло, в свою очередь, ускоряет испарение и усиливает электрические эффекты на поверхности кремния.
В оптимальных условиях устройство показало напряжение холостого хода около 1 В и плотность мощности 0,25 Вт/м2, что ничтожно мало по сравнению с традиционными солнечными панелями. Поэтому главная ценность этой разработки не в крупномасштабной выработке энергии, а в создании датчиков без традиционных батарей, носимой электроники и устройств интернета вещей, способных автономно работать в средах с естественным присутствием воды и света. Несмотря на то что сейчас система существует лишь в миниатюрном лабораторном исполнении, её модульная конструкция открывает путь к лёгкому масштабированию и независимой оптимизации каждого слоя для эффективной работы в будущем.
