Het Laboratorium voor Nanowetenschappen en Energietechnologie (LNET) aan de School of Engineering van de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne in Zwitserland heeft onlangs een experimenteel apparaat voor het opwekken van nano-energie ontwikkeld dat continu een stabiele stroom kan genereren met behulp van het verdampingsproces van zeewater. Dit apparaat maakt gebruik van siliciumhalfgeleiders als kern en realiseert autonome energieopwekking door de beweging van ionen en elektronen te reguleren en de verdamping van zeewater aan te sturen met behulp van licht en warmte. Onderzoekers zeggen dat dit mechanisme naar verwachting nieuwe wegen zal openen voor milieuvriendelijke technologie voor het oogsten van energie. Relevante resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.
In hun artikel stelden Giulia Tagliabue, de leider van het onderzoeksteam, en Tarique Anwar, een onderzoeker, een "verenigd fysiek en experimenteel raamwerk" voor voor door verdamping aangedreven hydrovoltaïsche systemen. De sleutel ligt in het scheiden en nauwkeurig controleren van het interfaceproces. Het interfaceproces verwijst hier naar de interactie tussen verschillende fasetoestanden, zoals vast, vloeibaar, vloeibaar gas, enz. Het onderzoeksteam hoopt dit raamwerk te gebruiken om het verdampingsproces efficiënter om te zetten in elektrische energie met de deelname van zonlicht en warmte-energie.
Deze technologie bouwt voort op eerder onderzoek van LNET naar het ‘hydrovoltaïsche effect’. Het zogenaamde hydrovoltaïsche effect betekent dat wanneer vloeistof door het oppervlak van geladen nano-apparaten stroomt, dit de opwekking van elektrische energie kan veroorzaken. Het nieuwe apparaat maakt verder gebruik van de kleine openingen tussen de hexagonaal gerangschikte silicium nanopilaren om de verdamping van vloeistoffen te bevorderen en daarbij de beweging van ionen in zeewater te geleiden. De onderzoekers wezen erop dat warmte en licht altijd de prestaties van hydrovoltaïsche apparaten zullen beïnvloeden, en hun doorbraak deze keer is om deze oorspronkelijk onvermijdelijke effecten voor het eerst om te zetten in prestatievoordelen, met behulp van onuitputtelijk en relatief milieuvriendelijk zeewater als energiemedium.
Een belangrijke conceptuele doorbraak in het onderzoek was dat het team ontdekte dat de verbeterde energieopwekking niet simpelweg het resultaat was van verdamping zelf. Omdat het apparaat gebruik maakt van silicium halfgeleidermateriaal, verhoogt warmte de negatieve lading op het halfgeleideroppervlak, terwijl zonlicht de elektronische activiteit daarin stimuleert. Met andere woorden: verdamping, thermische effecten en lichteffecten zijn niet onafhankelijk van elkaar, maar vormen een synergetisch effect in het apparaat om gezamenlijk de verbetering van de efficiëntie van de energieopwekking te bevorderen.
Volgens het onderzoeksteam is de winst die dit oppervlakteladingseffect teweegbrengt behoorlijk aanzienlijk. Door de introductie van zonlicht en warmte kan de energieopbrengst van het apparaat tot wel vijf keer worden verhoogd. Tagliabue zei dat dit natuurlijke effect altijd heeft bestaan, maar dat zij de eerste onderzoekers zijn die er daadwerkelijk gebruik van maken.
Vanuit structureel ontwerpoogpunt heeft dit apparaat voor het opwekken van verdampingsenergie een drielaagse architectuur, die overeenkomt met de drie onafhankelijke processen van verdamping, ionentransport en ladingsverzameling. De bovenkant is de verdampingsoppervlaktelaag, de middelste laag is verantwoordelijk voor ionengeleiding en de onderkant is de diëlektrische siliciumnanopillar-array. Een dergelijk gelaagd ontwerp helpt onderzoekers niet alleen het proces en de resultaten van elke fase geleidelijk te analyseren en te kalibreren, maar verbetert ook de algehele prestaties van het apparaat op het gebied van energieopwekking en laat duidelijker zien hoe warmte en licht ladingsgeneratie induceren en ionenmigratie bevorderen.
Naast de mogelijkheden voor energieopwekking biedt deze technologie ook duidelijke voordelen op het gebied van duurzaamheid. De onderzoekers wezen erop dat hitte en licht ervoor kunnen zorgen dat het hydrovoltaïsche mechanisme verslechtert, en dat corrosieproblemen in omgevingen met een hoog zoutgehalte dit proces kunnen verergeren. Het oppervlak van de silicium nanopilaren in het apparaat is echter bedekt met een oxidecoating die stabiel blijft onder licht en hitte, waardoor onnodige chemische reacties worden vermeden en de betrouwbaarheid van het apparaat in zeewateromgevingen wordt verbeterd.
Het onderzoeksteam zei dat als volgende iteraties goed verlopen, dit type hydrovoltaïsch apparaat naar verwachting in de toekomst continue, krachtige stroomondersteuning zal bieden voor verschillende kleine, batterijloze sensornetwerken, zolang zonlicht, warmte en water beschikbaar zijn om te werken. Mogelijke toepassingsscenario's zijn onder meer milieumonitoringsystemen, Internet of Things-apparaten en huidige en toekomstige draagbare technologieën. Onderzoekers zijn van mening dat als een mobiele en vrijwel ‘gratis’ manier om elektriciteit te verkrijgen in de praktijk kan worden toegepast, de sociale waarde die dit zal opleveren onmeetbaar zal zijn.