Устройство способно извлекать энергию из падающих капель воды с высокой эффективностью, что открывает возможности для применения его в качестве источника альтернативной энергетики.
Исследователи из Городского университета Гонконга создали электрогенератор с капельной основой и полевой транзисторной структурой. Устройство преобразует энергию с высокой эффективностью и мощностью, превосходящей аналоги без ПТС на несколько порядков. опубликована в журнале Nature.
Вода — перспективный источник энергии. Но превращение низкочастотной кинетической энергии волн, приливов и даже капель дождя в электричество затруднено современными технологиями.
Трибоэлектрические капельные генераторы, добывающие энергию за счёт трения падающих капель о поверхность, известны давно. Количество генерируемых зарядов ограничено площадью контакта двух фаз, поэтому эффективность преобразования энергии в таком приборе очень низкая.
В течение двух лет учёные занимались повышением эффективности преобразования энергии в каплях генераторов. За секунду мощность такого генератора может составлять 50,1 Вт на квадратный метр, это в тысячу раз больше, чем у предшественников.
Два ключевых открытия ускорили разработку прибора. Ученые выяснили, что капли воды, постоянно падающие на политетрафторэтилен (известен под названием «тефлон»), накапливают сверхповерхностные заряды до точки перегрузки.
Вторым открытием стало устройство базового элемента генератора. Его конструкция уникальна и напоминает полевой транзистор — полупроводниковый прибор, являющийся основой современных электронных устройств. Устройство состоит из двух электродов: первый изготовлен из алюминия, а второй — из оксида-индия олова и покрыт политетрафторэтиленом (PTFE/ITO-электрод).
Второй электрод предназначен для генерации и накопления зарядов. Падающая капля воды, касаясь поверхности PTFE/ITO и скользя по ней, соединяет оба электрода, преобразуя систему в замкнутую электрическую цепь. Благодаря такой конструкции на PTFE/ITO-электрод могут накапливаться поверхностные заряды высокой плотности. Когда вода соединит два электрода, накопленные заряды полностью высвободятся и создадут электрический ток.
Исследование демонстрирует, что капля воды объёмом 100 микролитров, падающая с высоты 15 сантиметров, способна генерировать напряжение более 140 Вольт. Сгенерированная мощность достаточно велика для свечения 100 маленьких светодиодных лампочек, утверждает руководитель проекта Ван Цуанкай. Кинетическая энергия падающей воды, обусловленная гравитацией, может быть признана возобновляемой и её целесообразно использовать более рационально.
Ван Цуанкай рассчитывает, что полученные результаты исследования помогут разрешить мировую проблему нехватки энергии. Ученый отмечает: «Производство электричества из капель дождя вместо нефти и атомной энергии способно продвигать устойчивое развитие цивилизации». Новый генератор можно установить в местах контакта жидкости с твердостью, например, на ватерлинии корабля или линии прилива.