Saules paneļi uz jumtiem visā pasaulē nodrošina elektroenerģiju miljoniem mājsaimniecību, taču Binghemtonas Universitātes pētnieki meklē iespēju daļu enerģijas iegūt arī mājokļa iekšpusē. Pētījumā, kas aprakstīts izdevumā Advanced Energy Materials, izstrādāts materiāls, kas iekštelpu mitrumu pārvērš nelielā elektriskajā strāvā.

Mitruma elektroģeneratori elektrības radīšanai izmanto apkārtējā gaisa mitrumu. Līdz šim šādas ierīces galvenokārt tika veidotas izmantošanai ārpus telpām, kur to jauda sasniedz vien dažus microwatus jeb miljonās vata daļas uz kvadrātcentimetru.

Kāpēc pētnieki izvēlējās iekštelpas

Āra vide šādām sistēmām ir sarežģīta, jo mitrums, temperatūra un vējš var strauji mainīties. “Problēma ir tā, ka tā rada ļoti mazu enerģijas daudzumu, turklāt āra vide nav stabila ārkārtīgi spilgtas saules vai laikapstākļu dēļ,” skaidro komandas vadītājs Seokheuns Čojs. Savukārt iekštelpās mitrums parasti saglabājas daudz vienmērīgāks — aptuveni 30–60% robežās —, bet cilvēku elpošana, ēst gatavošana un mazgāšanās rada papildu mitrumu.

Eksperimentā pētnieki izmantoja laboratorijas kvalitātes Whatman 3 MM papīru, kura biezums ir 340 µm, nevis komerciālas tapetes. Lai paslēptu vadus, savienojumi izvietoti materiāla aizmugurē. Abas papīra puses savieno ar 1 mm platiem ar lāzeru izveidotiem caurumiem, kas aizpildīti ar sudraba krāsu.

Izgatavošanas procesā apvienota vaskošana, gaisa aerogrāfija, sietspiede un lāzera apstrāde, turklāt tam nav nepieciešama tīrtelpa. Pētnieku mērķis ir panākt, lai visas darbības varētu veikt drukājamā procesā un materiālu nākotnē būtu iespējams ražot lielā apjomā.

Kā darbojas mitruma ģenerators

“Tapetes” veido 2 x 2 cm lieli papīra kvadrāti, un katrā no tiem ir trīs zonas. Malu pārklāj glicerīns — sīrupains šķidrums, kas piesaista ūdens tvaiku no gaisa un pārvērš to šķidrā ūdenī papīra iekšpusē.

Vidējā zona satur polivinilpirolidonu jeb PVP — plastmasai līdzīgu materiālu, ko veido garas molekulu ķēdes. Tas ūdeni notur ciešāk un tam ir mazākas poras, tāpēc kapilārais spēks, līdzīgi kā papīra dvielim uzsūcot izlijušu šķidrumu, virza ūdeni uz iekšpusi.

Centrs ir apstrādāts ar vasku. Pētnieki šo risinājumu salīdzina ar elpojošu lietus jaku: vasks atgrūž šķidru ūdeni, taču saglabā sīkas poras, pa kurām var izkļūt tvaiks. Tādējādi ūdens nepārtraukti ieplūst no malām un iztvaiko caur centru, bet šī vienmērīgā plūsma rada elektrisko strāvu.

Glicerīnā, celulozē un PVP esošās ķīmiskās grupas palīdz ūdenim atbrīvot protonus jeb ūdeņraža jonus. Tā kā malu zonā to ir vairāk nekā centrā, rodas atšķirība, kas dzen strāvu. To savāc grafīta elektrodi.

Izmērītā jauda un prototipa ierobežojumi

Pagaidām sistēmas jauda ir neliela. Viens elements pie 80% mitruma radīja aptuveni 0,34 V, bet 10 elementi virknē sasniedza aptuveni 2,9 V. No 35 elementiem veidots masīvs aptuveni 15 minūtes darbināja mitruma sensoru.

Lielākais eksperimentālais masīvs, kurā bija 1596 elementi, pie aptuveni 38% mitruma nodrošināja 3,5 V. Ar kondensatora palīdzību — nelielu komponenti, kas uzkrāj lādiņu un pēc tam to atbrīvo īsos impulsos — ar šo enerģiju izdevās darbināt bezvadu tastatūru. Tomēr pētījumā nav norādīts kopējais šīs sienas versijas jaudas rādītājs.

Materiāls vienlaikus darbojas arī kā mitruma buferis, uzsūcot ūdeni un vēlāk to atdodot. Noslēgtā kamerā, kuras izmēri bija 30 x 30 x 15 cm, 28 elementi aptuveni četrās minūtēs samazināja mitrumu no 75 līdz 50%. Kad papīrs bija piesātināts ar ūdeni, tas aptuveni 16 minūtēs paaugstināja sausa gaisa mitrumu no 15 līdz 20%.

Telpā lielais masīvs 15 minūtēs samazināja mitrumu no 38 līdz 32%. Pētnieki uzsver, ka tas ir tikai sākotnējs rezultāts, nevis pierādījums ilgstošai sistēmas kapacitātei.

“Mēs ieguldām daudz enerģijas HVAC jeb apkures, ventilācijas un gaisa kondicionēšanas sistēmās, lai izvadītu mitrumu no gaisa. Ja izmantotu šo koncepciju, mēs varētu vienlaikus samazināt vai kontrolēt mitruma līmeni un radīt elektroenerģiju,” norāda Čojs.

Pētnieki atzīst, ka izstrāde joprojām ir koncepcijas pārbaude. Reālistiskais mērķis nav aizstāt elektrotīklu vai saules paneļus, bet gan nodrošināt enerģiju vides sensoriem, bezvadu moduļiem un lietu interneta ierīcēm. Ja materiāls izrādīsies pietiekami izturīgs, siena nākotnē varētu kļūt par pašdarbināmu sensoru, kas vienlaikus palīdz uzraudzīt gaisu telpā.