МИРОВОЙ БУМ НА ВИЭ
Инвестиции в альтернативную энергетику растут с каждым годом и последнее десятилетие стабильно исчисляются в сотнях миллиардов долларов. А значит, увеличивается и доля «зеленой» энергии — такой, которую получают из возобновляемых источников (ВИЭ). Так, в прошлом году в Германии она составила 38 % от всего потребления в стране. А, к примеру, в Бразилии 18 % автомобильного топлива производится из сахарного тростника.
Многие крупные компании поддерживают использование ВИЭ. IKEA задалась целью полностью обеспечивать себя за счет возобновляемых источников энергии к 2020 г. В Apple за счет солнечных электростанций работают все дата-центры. Активно инвестирует в альтернативную энергетику Google. Уже сейчас доля ВИЭ составляет 35 % от общего потребления корпорации. Неудивительно, что компания Bloomberg New Energy Finance прогнозирует увеличение доли альтернативных источников энергии в мире до 50 % уже к 2050 г.
Согласно Парижскому соглашению, упор на возобновляемую энергию не должен диктоваться только себестоимостью производства. Весомой причиной становится стремление сдерживать рост температуры и уменьшить выбросы в атмосферу.
ДЛЯ ЛИЧНОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ
Многие из перечисленных альтернативных источников энергии недоступны обычному человеку, а реализуются в масштабах страны. Одно из приятных исключений — солнечные батареи. Но как же быть жителям северных регионов? Хотя даже для умеренных широт актуальна ситуация, когда на солнечные батареи зимой выпадает снег. Конечно, панелям затруднительно производить какую-либо энергию, если они погребены под ледяным покровом.
Решить эту проблему взялась команда из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA). Ученые разработали новое устройство, которое может производить электричество из самого снега. Статья об их находке была опубликована в издании Nano Energy. Изобретение получило название «снежн о - т р и б о э л е к т р и ч е с к и й наногенератор», или просто Snow TENG (snow-based triboelectric nanogenerator). И пользоваться им сможет любой желающий.
Как следует из названия, прибор работает за счет трибоэлектрического эффекта (появления электрических зарядов в материале из-за трения), т. е. использует статическое электричество для генерации заряда посредством обмена электронами между положительно и отрицательно заряженными материалами.
Устройства такого типа уже используются для создания маломощных генераторов. Например, в 2012 г. ученые предлагали использовать энергию от прикосновений к сенсорному экрану. А в 2015 г. инженеры представили ткань для одежды, которая вырабатывает энергию от движения тела. Пробежался — и зарядил гаджеты. Кроме такого применения, ученые также предложили создать «умную одежду», которая будет сама делать электроразряд, если останавливается сердце. В эту же ткань можно одеть и робота, чтобы он обеспечивал себя электричеством.
В 2016 г. изобретатель из Висконсинского университета в Мадисоне разработал напольное покрытие, которое может вырабатывать энергию от шагов человека. Прекрасная идея, которая просто «валялась под ногами»! Ведь если ее развить, то в будущем огромное количество энергии можно будет получать, встроив волокна в самые разные поверхности (тротуар, пол дома и во всех видах учреждений).
НА ПУТИ К СОВЕРШЕНСТВУ
Солнечные батареи — одно из самых популярных и доступных направлений альтернативной энергетики. Их используют в портативной электронике и электромобилях, в медицине, авиации и космонавтике, для энергообеспечения отдельных зданий и целых населенных пунктов. В 2014 г. в Нидерландах открылась первая в мире велодорожка из солнечных батарей, а в 2017-м во Франции — километровый участок дороги из почти трех тысяч панелей.
Но при всех преимуществах солнечных батарей, у них есть существенный недостаток — зависимость от погодных условий. Холодное время года и осадки — их явные враги. Над увеличение КПД от использования гелиоэнергетики работают многие ученые. В прошлом году этим вопросом занялась команда китайских инженеров. Они создали новую гибридную панель, которая может собирать энергию и от падающих дождевых капель. В основу технологии также лег трибоэлектрический эффект.
Чтобы создать TENG, на фотоэлементы обычной солнечной панели добавили два прозрачных полимерных слоя. Их покрыли микроскопическими желобами, по-особому реагирующими на падающие капли. При этом нижний слой является электродом как для самих фотоэлементов, так и для TENG. А так как полимеры абсолютно прозрачны, ничто не мешает попадать солнечному свету на фотоэлементы. Подобная идея — не новая. Так, еще за три года до этого18-летний студент Киевского политехнического института разработал прибор, преобразующий энергию дождя в электричество. Но китайские специалисты заявили, что их девайс проще и дешевле, чем все предыдущие разработки.
И все-таки одно дело дождь, а совсем иное — снег. Зимой из-за него солнечные лучи могут почти не попадать на фотоэлементы. Панели приходится чистить. Но бывают и худшие ситуации, когда в большие морозы образуется наледь. Команда из Калифорнийского университета не решила проблему полностью, но сделала первый значительный шаг в этом направлении.
ЧТО МНЕ СНЕГ, ЧТО МНЕ ЗНОЙ
Итак, каков же принцип действия Snow TENG? Снег создает заряд на своей поверхности в зависимости от того, как молекулы воды упорядочиваются, когда кристаллизуются в снежинки. Он положительно заряжен, поэтому при трении его о материал с противоположным зарядом можно извлечь энергию. Махер Эль-Кади, один из авторов исследования, рассказывает: «Да, снег «любит» отдавать электроны, но производительность зависит и от эффективности другого материала. После тестирования большого количества вариантов, включая алюминиевую фольгу и тефлон, мы остановились на силиконе».
(a) восприятие биомеханических движений прикрепленного к различным участкам тела наногенератора Snow-TENG; (b) измерение электрической мощности от устройства Snow-TENG в режиме снегопада при креплении к (i) плечу, (ii) запястью и (iii) колену; (ci) фотография устройства Snow-TENG, собранного и прикрепленного к нижней части снегоступа в качестве биомеханического датчика с автономным питанием; (c-ii) выход электричества от Snow-TENG, при различных движениях — бег, прыжки, ходьба и марширование
Разработчики заявляют, что изобретение можно интегрировать в солнечные панели, чтобы они могли продолжать вырабатывать электроэнергию даже при покрытии снегом. Плюсом является и то, что Snow TENG можно напечатать при помощи 3Dпринтера: устройство сделано из слоя силикона, прикрепленного к электроду. Кроме того, генератор не нуждается в собственном источнике питания.
А вот явный минус — довольно небольшое количество электроэнергии, вырабатываемое прибором. При восьми вольтах напряжения устройство может выдавать максимальную плотность тока в 40 микроампер на квадратный метр. В своем текущем виде с мощностью 0,2 мВт на квадратный метр Snow TENG не хватит и для того, чтобы зажечь светодиодную лампочку. А значит, пока что подключать его, как саму солнечную панель, напрямую к домовой электросети просто не имеет смысла. Зато прибор можно использовать, например, для маленьких и автономных погодных датчиков.
«Погодный датчик на базе Snow TENG может работать в отдаленных районах, так как он самостоятельно обеспечивает свое питание и не требует других источников», — говорит Ричард Канер, старший автор исследования, один из самых цитируемых ученых мира. «Это очень умное устройство —метеостанция, которая может сказать вам: сколько снега падает в данный момент, направление падения снега, а также направление и скорость ветра».
Исследователи приводят и другой пример использования Snow TENG. Так, датчик можно прикрепить к нижней части ботинок или лыж и собирать с его помощью данные для зимних видов спорта. Также инженеры тестировали устройство, прикрепляя его к колесам велосипеда. «Это поразительно: вы производите электричество практически из ничего», — добавляет Канер.
Кстати, для американской команды не впервой становиться первопроходцами в области энергетики. Среди прочего, в 2013 г. они изобрели суперконденсатор для хранения энергии, а в 2017-м — устройство, которое производит электроэнергию и водород одновременно.
Среднегодовое количество снега по всему миру составляет примерно треть массы Земли. Так, за 12 месяцев на поверхность планеты выпадает около 46 миллионов квадратных километров кристаллов льда! А значит, это огромное количество энергии, которое можно использовать, не нанося совершенно никакого вреда окружающей среде. Так что у Snow TENG могут быть прекрасные перспективы. Тем более — ученые из Калифорнийского университета уже работают над его усовершенствованием.
Статья была опубликована в в журнале "Наука и техника"
