Kan vi utvinna energi frĂ„n vatten som droppar? Är det hĂ€r en möjlig vĂ€g framĂ„t i omstĂ€llningen frĂ„n fossil till förnybar energi? En revolutionerande upptĂ€ckt kan ge oss svaret.

Vattenkraft Àr inget nytt och ungefÀr 70 procent av jordytan tÀcks av vatten. Men lÄgfrekvent kinetisk energi i vÄgor, tidvatten eller till och med regndroppar konverteras inte effektivt till el-energi pÄ grund av tekniska begrÀnsningar. En konventionell droppgenerator, baserad pÄ triboelektrisk effekt, kan alstra elektricitet genom kontaktelektrifiering och elektrostatisk induktion nÀr en droppe trÀffar en yta. Den laddning som genereras begrÀnsas dock av grÀnsytans inverkan och effektiviteten nÀr energin omvandlas blir ganska lÄg.

Men nu har en grupp forskare frÄn City University of Hong Kong, eller CityU, utvecklat en ny form av elgenerator. De kallar den droplet-based electricity generator eller DEG och precis som namnet antyder kan den drivas av vattendroppar.

Det handlar om en liten, men mycket effektiv, generator som kan skapa tillrÀckligt med energi för att att driva 100 LED-lampor med en enda droppe kran-, regn-, eller havsvatten.

A visar schemat av en droppbaserad elgenerator (DEG) och B fyra parallella DEG-anordningar tillverkade pÄ glasunderlaget. Bild: City University of Hong Kong & Nature

Det har tagit forskarteamet tvÄ Är att utveckla DEG. EffekttÀtheten kan nÄ upp till 50,1 watt per kvadratmeter, tusentals gÄnger högre Àn med andra liknande enheter, utan att anvÀnda en fÀlteffekttransistor, eller FET.

Professor Wang frÄn CityU pÄpekar att tvÄ avgörande faktorer ledde till uppfinningen. Först fann teamet att dropparna som i jÀmn ström landar pÄ PTFE, ett elektretmaterial med en kvasi-permanent elektrisk laddning, uppvisar ett nytt sÀtt att ackumulera och lagra ytladdningar med hög densitet. NÀr de kontinuerligt trÀffar ytan pÄ PTFE ackumuleras de genererade ytladdningarna och gradvis uppnÄs en mÀttnad. Denna upptÀckt Àr till hjÀlp för att lösa problemet med lÄg laddningstÀthet.

En unik struktur, som liknar FET, spelar ocksÄ en nyckelroll. Den hÀrstammar frÄn en innovation som ledde till ett Nobelpris i fysik 1956 och som Àr grundlÀggande för dagens elektroniska apparater. Enheten bestÄr av en aluminiumelektrod och en indium-tennoxid-elektrod, ITO, med en film av PTFE som ansvarar för att generera laddning samt för lagring och induktion. NÀr en fallande vattendroppe trÀffar och sprider sig pÄ ytan överbryggar den aluminium- och PTFE/ITO-elektroden och konverterar det ursprungliga systemet till en sluten krets.

Genom kontinuerlig dropptillförsel kan en hög densitet av ytladdningar ackumuleras pÄ PTFE. NÀr spridningsvattnet ansluter de tvÄ elektroderna kan samtidigt dessa lagrade laddningar frigöras helt för att generera elektrisk ström. Den omedelbara effektdensiteten och energiomvandlingseffektiviteten ökar kraftigt.

– VĂ„r forskning visar att en droppe av 100 mikroliter, dĂ€r en mikroliter Ă€r en miljondels liter, vatten som frigörs frĂ„n en höjd av 15 centimeter kan generera över 140 volts spĂ€nning. En kraft som kan förse upp till 100 smĂ„ LED-glödlampor med ström, sĂ€ger professor Wang.

Ökningen av den omedelbara effekttĂ€theten hĂ€rrör frĂ„n omvandling av kinetisk energi i sjĂ€lva vattnet.

– Den kinetiska energin frĂ„n det droppande vattnet Ă€r ett resultat av tyngdkraften och kan betraktas som fri och förnybar. Den borde anvĂ€ndas bĂ€ttre, sĂ€ger Wang.

Deras forskning visar ocksÄ att en minskning i relativ luftfuktighet inte pÄverkar effektiviteten i kraftproduktionen. Dessutom kan bÄde regnvatten och havsvatten anvÀndas för att generera el.

CityU:s forskningsteam: Zheng Huanxi, Xu Wanghuai, professor Wang Zuankai, Dr Zhang Chao och Song Yuxin.

Professor Wang hoppas att forskningsresultaten ska fungera som ett svar pÄ bristen av förnybar energi.

– Att producera kraft frĂ„n regndroppar istĂ€llet för olja och kĂ€rnenergi kan frĂ€mja en hĂ„llbar utveckling.

Han tror att den nya lösningen, pÄ sikt, kan appliceras och installeras pÄ olika ytor dÀr vÀtska samverkar med fast materia. PÄ sÄ vis kan den lÄgfrekventa kinetiska energin i vatten utnyttjas till fullo. Det kan röra sig om allt frÄn skrovet pÄ fÀrjan, kustlinjen, till ytan pÄ paraplyer eller till och med insidan av vattenflaskor.

LĂ€s mer om forskningen i Nature.