Случайное открытие, которое может стать будущим энергетики
Энергия из воздуха — звучит как что-то из научной фантастики. Одно из сумасшедших изобретений Николы Теслы, о котором он успел рассказать перед смертью. Но это наша реальность в 2023 году. Открытие, сделанное учеными из Массачусетского университета в Амхерсте, позволяет осуществить мечту Теслы. Как и многие ключевые изобретения, сделанные в истории, это открытие произошло совершенно случайно. Как синтетические красители, пакетики для чая, пенициллин, сахарин или рентген.
По принципу это та же гидроэлектроэнергия. Только теперь вместо огромной дамбы её способен вырабатывать крошечный девайс размерами меньше смартфона. Ученые впервые продемонстрировали потенциал технологии в мае этого года, а теперь её уже пытаются коммерциализировать. Стартап CascataChuva из Португалии, созданный участниками лиссабонского научного проекта Cather, уже пытается продавать эту энергию из воздуха.
Итак, что это такое и как это работает? И почему раньше никто не пытался поискать «бесплатную» энергию в этом направлении?
Как это работает
Эта история начинается с профессора Цзюнь Яо и его команды, у которых был довольно скромный план. Они пытались создать новый датчик влажности воздуха, используя сетку наноструктур. Студент, помогавший с проектом, вымыл этот датчик и включил его, забыв подсоединить к розетке. И тем не менее датчик выдал электрический сигнал. Что выглядело довольно жутко. Откуда такой сигнал берется? Призраки? Встроенная батарея? Озадаченные странным явлением, Яо и компания проверили, откуда в их датчик попадают токи, и обнаружили интересную реакцию. Сигнал в наноструктурах получался буквально из воздуха.
Наука здесь очень сложна, и пока не исследована. Даже Яо и другие ученые еще не совсем уверены в том, какие реакции тут происходят. Но пока что, если сильно упростить, их основная теория заключается в следующем. Наноструктуры на датчике из университета имеют толщину около 100 нанометров — меньше одной тысячной диаметра человеческого волоса. Это делает их достаточно широкими, чтобы молекулы воды в воздухе могли легко проникать внутрь, но в то же время затрудняет их свободное прохождение через сетку.
Исследователи полагают, что каждый раз, когда молекулы воды ударяются о края крошечных отверстий, они создают маленький электрический заряд посредством процесса, называемого депротонированием. Поскольку в верхней части трубки, которая шире, чем нижняя часть, перемещается больше молекул, мы получаем электрический дисбаланс, и в конечном итоге — положительно и отрицательно заряженные края, как в аккумуляторе. Устройство функционирует, не имея движущихся частей. Очень похоже на твердотельную батарею, только заряжающуюся не по кабелю, а непосредственно от воздуха. И, конечно, заряд происходит очень медленно (хотя скорость можно повысить, разместив внутри устройства еще больше наноструктур).
Как и положено ученым, Яо и его команда сразу же приступили к итерациям, пробивая поры размером ~100 нанометров во всех доступных им материалах, от оксида графена до полимеров и деревянных нановолокон. Они даже использовали бактерии для выращивания белковых нанокристаллов, и проверили реакции в них. Что удивительно, все эти попытки оказались успешными. То есть, размер и характер наноструктур имеют большее значение, чем тот материал, из которого они сделаны. А это вполне может означать, что какая-то команда в будущем найдет еще более «продуктивный» материал. Потенциала для оптимизации тут по-прежнему много.
Применение в реальном мире
На данный момент устройство производит примерно один микроватт электричества. Этого достаточно для питания одного пикселя на светодиодном экране. А пикселей на экране, как вы понимаете, миллионы. Но в то же время устройство очень маленькое. То, что Цзюнь Яо держит в руках — это его контейнер, потому что напрямую пальцами такие наноструктуры, конечно же, брать нельзя. Сам «сборщик энергии», расположенный внутри, по ширине и высоте размерами всего лишь с ноготь большого пальца руки, а в толщину — одна пятая человеческого волоса. Теоретически, если мы соединим несколько таких устройств вместе, мы сможем обеспечить энергией нечто более существенное, просто позаимствовав немного влаги из воздуха.
Именно на этой предпосылке основывается португальская компания CascataChuva, обещающая коммерциализировать свою версию устройства для генерации энергии из воздуха. Пилотный запуск намечен на 2024 год. Девайсы, разумеется, выйдут сверхдорогими — всё-таки это нанотрубки и самые сложные технологические процессы. И вряд ли зарядка будет быстрой, мягко говоря. Но, скажем, миллионеры смогут всегда подзарядить свой девайс, если нужно будет сделать срочный звонок в горах, а всё уже разрядилось. Подобные устройства можно будет ставить на скорые, вертолеты и все другие устройства, работающие в сложных условиях вдали от цивилизации.
Это далеко не научная фантастика. Похожие системы уже работают, хоть и основываются на других принципах. Так, в 2021 году был запущен проект WaterLight — фонарик, в который заливают 500 мл морской воды, и он светится 24 часа благодаря её ионизации. В реальности свет получается не таким ярким, как в промоматериалах, но технологически этот процесс работает. Хотя каждый такой маленький фонарик стоит $100.
Тут встает вопрос, почему бы не заряжать подобные девайсы от энергии Солнца? Мы уже умеем изготавливать солнечные батареи (что 50 лет назад, кстати, тоже казалось научной фантастикой). Они стоят довольно дешево, полностью коммерциализированы, процесс налажен. Но гидроэлектроэнергия имеет теоретические преимущества перед всеми другими возобновляемыми источниками энергии. Если в вашем регионе мало солнечных дней или нет сильных ветров, зарядка от воздуха может стать более эффективной.
К тому же эти девайсы по умолчанию будут занимать меньше места. Они не зависят от площади панели или площади лопасти генератора: весь процесс происходит внутри, на микроуровне. Если вы живете в квартире, особенно во влажном климате, это может быть отличный шанс стать энергонезависимыми.
В перспективе, если с CascataChuva дела пойдут хорошо (и это большое »если»), компания утверждает, что вы сможете взять с собой домой прилично мощную «влажную» батарею размером со стиральную машину, для которой найдется место у большинства людей. Правда, поставить её в дальнем пыльном углу тут не получится: нужен периодический свежий воздух, в котором были бы молекулы воды. Чем выше удельная влажность — тем больше заряд.
Важно то, что удельная влажность (количество молекул воды в воздухе) меняется независимо от циклов дня и ночи. Бывают влажные ночи и сухие дни и наоборот. Поэтому таким устройствам найдется применение даже в доме с солнечными панелями и ветрогенераторами на крыше: всё равно какое-то время будут такие условия, когда не дует ветер и не светит солнце, а влажность высокая. Это делает новую гидротехнологию хорошим партнером для более распространенных, но не таких стабильных возобновляемых источников энергии.
И хотя пассивное получение электричества из воздуха может показаться слишком невероятным для существования, это не разовое открытие. Исследователи из Университета Цинхуа в Пекине с 2018 года экспериментируют с гидроэлектрическими пленками, которые могут генерировать напряжение почти в 1,5 вольт. Они уже сделали из них носимые устройства, работающие на гидроэлектрике, которые собираются встраивать в синтетическую одежду — чтобы бегуны могли заряжать гаджеты в кармане своим теплом и потом. Хотя принцип работы там другой, а в случае с наноструктурами мы до сих пор не до конца уверены, как именно они создают электричество, прогресс в этой сфере идет с разных сторон. Обычно такое случается, когда технология уже почти готова перейти в мейнстрим.
Стоимость и доступность
Хотя мы до сих пор не до конца понимаем механику того, как работает устройство для генерации воздуха, перспективы его реализации достаточно позитивны, и CascataChuva, как сообщается, близка к коммерциализации собственной «влажной» батареи. Их устройство шириной всего 4 сантиметра сейчас способно питать светодиодный светильник. По словам соучредителя и гендиректора компании Андрея Любчика, план-максимум состоит в том, чтобы к 2024 году собрать под одним корпусом 20 тысяч подобных устройств. Такая установка, по их подсчетам, сможет пассивно генерировать порядка 10 киловатт-часов электроэнергии в день — что, если честно, кажется какой-то слишком невозможной цифрой.
По словам CascataChuva, это вполне реально, и одна такая установка должна покрыть потребление энергии домохозяйством площадью 150 квадратных метров, при условии, что у него нет электромобиля. Планируется, что размеры первоначального устройства будут как у стиральной машинки. Потом, возможно, его удастся уменьшить, если у проекта найдутся инвесторы и покупатели.
Конечно, главный подвох — цена. За мощность приходится платить, и новые «влажные» батареи не будут дешевыми. CascataChuva прогнозирует, что нормированная стоимость энергии устройства (LCOE, способ сравнения эффективности генераторов энергии на протяжении всего срока их службы) изначально будет довольно высокой. В том числе, возможно, из-за периодической необходимости замены нанопанелей. А за сам девайс потребители заплатят от 15 до 19,5 тысяч долларов.
В то же время, если генерация 10 киловатт-часов — это правда, то это примерно как 24 солнечные панели, которые обычно занимают 46 м2 пространства и стоят 20–28 тысяч долларов. Плюс им нужна сложная установка на крышу, а ещё могут быть проблемы с доставкой. То есть если CascataChuva не врут, это не какой-то скам и им удастся сделать то, что они обещают, — новая технология во многом будет лучше солнечных панелей.
Почему нас это должно интересовать
Технология пока еще находится в зачаточном состоянии. Но благодаря своим уникальным свойствам получение влаги из воздуха может в перспективе стать самой доступной формой чистой энергии. Для которой не нужно создавать огромных агрегатов с лопастями 40 метров или площадью поверхности 200 м2. Здесь нужно куда меньше материалов, главное — правильно обработать их на микроуровне. А значит, в перспективе план перейти на эту технологию всей планетой — гораздо реалистичнее, чем план покрыть все свободные пространства солнечными панелями, на которых у нас всё равно пока не хватит материалов (для подпитки одних США нужно 7,85 миллиарда солнечных панелей, а для всего мира — 23 миллиарда).
Гипотетически говоря, устройства, работающие на основе генерации воздуха, могли бы позволить вам стать энергетически независимыми в любой части мира, где есть достаточно влажного воздуха. На первом этапе это может быть полезно для питания портативных и удаленных мест, куда не может добраться инфраструктура линий электропередачи. Или для обеспечения аварийного электропитания во время сбоев или стихийных бедствий. А потом, если технология докажет свою эффективность и отказоустойчивость — можно попробовать уйти с ней в стратосферу.
При этом подобные батареи могут быть сколь угодно маленького размера, вплоть до нескольких сотен нанометров. Что найдет применение в медицине и при построении любых устройств небольших габаритов, нуждающихся в собственном генераторе. Использование крошечных батарей с гидроэлектрической химической установкой позволит нам очень точно контролировать наши энергетические затраты. Ну и, конечно, можно будет заряжать аккумуляторы своих смартфонов или ноутбуков практически где угодно, не завися от общей энергосистемы.
Если задуматься, существует множество маломощных устройств, которые мы в конечном итоге выбрасываем, потому что повторяющиеся циклы зарядки очень быстро изнашивают их аккумуляторы. Небольшие носимые устройства, такие как FitBits или Airpods, вполне смогут частично работать от влажности, а пульт от телевизора или кондиционера — спокойно заряжаться за день, без необходимости периодически менять батарейки.
Химический состав аккумуляторов часто бывает агрессивным или летучим, а здесь — вода и наноструктуры, никакой угрозы для организма. Если устройства, работающие на воздушном топливе, окажутся долговечными, мы получим надежные бескислотные батареи, которые можно заряжать где угодно. Конечно, это пока очень большое «если». Есть немало вызовов, стоящих перед «влажными» генераторами. Давайте поговорим о них.
Проблемы и их решения
Самым большим препятствием здесь является то, что мы еще сами не понимаем, чего точно не знаем. Это новейшая технология, и хотя исследования, связанные с ней, являются достаточно авторитетными, существует еще много неизвестных. Никто, даже Цзюнь Яо и его исследовательская группа, не уверены в том, какая реакция здесь происходит. И чего от неё можно ожидать.
Если заряд действительно создается вследствие движения молекул воды, это должно означать, что происходит перенос электрона. Но что, если нанотрубки быстро «насыщаются» этими свободными электронами? Придется ли как-то «перезаряжать» такой девайс? Возможно, каждая структура восприимчива только к небольшому количеству свободных электронов, и тогда у нас не выйдет это масштабировать: микротоки так и останутся микротоками.
Может, такой «затор» из электронов со временем приведет к затуханию генератора
Возможно также, что всё это работает как эффект Зеебека (когда два разных металла, находящихся в контакте, производят небольшое напряжение). Тогда, скорее всего, этот эффект тоже не сможет производить достаточный ток, чтобы его можно было использовать в быту, и к тому же создаст коррозионную среду, которая сделает устройство не таким долговечным. Уже было несколько подобных открытых термоэлектрических эффектов, которые сначала выглядели многообещающе, но оказывались слишком дорогостоящими на практике, а чересчур сложная конструкция ограничивала их применение.
И хотя Яо полностью опубликовал все исследования своей команды, CascataChuva пока что этого не сделали. Поэтому неясно, насколько их устройство может быть реалистичным. Вроде бы они не хотят раскрывать принципы своей работы, и рисковать, что кто-то сможет украсть их патент и предложить подобное устройство дешевле. Но всё это вызывает здоровый скептицизм. Как ни крути, мы получаем энергию из воздуха! Кроме того, исследования Светланы Любчик и её команды из CascataChuva ранее были в основном теоретическими и вычислительными. Как мы хорошо знаем, это не всегда идеально транслируется в реальный мир. Нужно подождать, пока их прототип выйдет и сможет пройти независимые проверки.
Как долго сможет работать эта технология? Можно ли её успешно масштабировать? Каков её LCOE? Питер Добсон, профессор технических наук Оксфордского университета, с оптимизмом смотрит на устройства генерации энергии воздуха, но предупреждает об опасности попадания других частиц в наноматериалы. Существует множество примеров так называемых «сверхмощных» наноматериалов, которые были уничтожены мелкими пылинками. Например, пыль легко может повредить микроэлектромеханические датчики системы в наших смартфонах. Возможно, в реальных условиях эксплуатации подобное будет происходить и с «влажными» батареями. Как не дать грязи, пыльце и прочему мусору забить нанопоры устройства? Насколько легко будет их чистить и обслуживать? У нас пока нет специальных процедур по уходу за порами на «коже» батареек. В худшем случае — после нескольких лет эксплуатации их нужно будет выкидывать, и тогда их энергоэффективность точно будет хуже, чем у солнечных батарей.
Есть также опасения по поводу массового производства нанопор для устройства. Наладить такой процесс в лаборатории и на заводе — задачи разного класса. Поиск материала, необходимого для нанопор, тоже может быть непростым. В общем, нам предстоит многому научиться, прежде чем мы сможем серьезно заняться коммерциализацией такого продукта.
Но это не значит, что эти проблемы непреодолимы. Мы уже видели, как счастливая случайность, а потом внимательные исследования, выводят похожие технологии от уровня научной фантастики — на мировую сцену. Например, с пенициллином. А стоимость потом можно снизить в десятки или сотни раз — как это случилось с цифровой электроникой.
Если нам удастся недорого получать электроэнергию из воздуха, последствия обещают быть очень масштабными. Если подобная генерация заработает, она станет самым мощным инструментом зеленой энергетики, особенно в умеренных широтах. А все потому, что студент в лаборатории однажды забыл включить датчик в розетку.
