研究者らは、水力発電効果を利用したナノスケールデバイスが、精製水よりもイオン濃度が高い流体の蒸発から電力を回収できることを発見し、未開発の膨大なエネルギーの可能性を明らかにしたと述べている。

蒸発はどこにでもある自然なプロセスであるため、私たちのほとんどはそれを当然のことと考えています。実際、地球に到達する太陽​​エネルギーの約半分は蒸発プロセスを引き起こします。 2017年以来、研究者らは水力発電（HV）効果を介して蒸発の潜在エネルギーを利用することに取り組んできた。これにより、ナノスケールデバイスの帯電した表面上を流体が通過するときに電気を回収できるようになる。蒸発により、これらのデバイス内のナノチャネル内に連続的な流れが確立され、受動的ポンピング機構として機能します。この効果は植物の微小毛細管でも見られ、毛細管圧と自然蒸発の組み合わせによって水の輸送が起こります。

現在、水力発電装置は存在しますが、ナノスケールでの HV エネルギー生成を制御する条件や物理現象については機能的にほとんど理解されていません。工学部エネルギー技術ナノサイエンス研究所（LNET）所長のジュリア・タグリアブエ氏と博士課程の学生タリク・アンワル氏は、この情報ギャップを埋めたいと考えていた。彼らは、HV デバイスの最適化を目的として、実験とマルチフィジックス モデリングの組み合わせを活用して、流体の流れ、イオンの流れ、および固液相互作用による静電効果を特徴付けました。

「私たちの斬新で高度に制御されたプラットフォームのおかげで、これはさまざまな界面相互作用の重要性を強調することによって、これらの水力発電現象を定量化した最初の研究です。しかしその過程で、私たちはまた、水力発電装置が広範囲の塩分濃度でも動作できるという重要な発見もしました。これは、最高の性能を得るには高度に精製された水が必要であるというこれまでの理解に矛盾するものでした」と Tagliabue 氏は言います。

LNET 研究は最近、Cell Press ジャーナル Device に掲載されました。

明らかなマルチフィジックス モデル
研究者の装置は、ナノスフィアコロイドリソグラフィーと呼ばれる技術を初めて水力発電に応用したもので、これにより正確な間隔で配置されたシリコンナノピラーの六角形ネットワークを作成することができた。ナノピラー間の空間は、流体サンプルを蒸発させるための完璧なチャネルを形成し、流体の閉じ込めと固体/液体の接触領域の影響をより良く理解するために微調整することができます。

「食塩水を含むほとんどの流体システムでは、同数の正イオンと負イオンが存在します。しかし、液体をナノチャネルに閉じ込めると、表面電荷と反対の極性を持つイオンだけが残ります」とアンワル氏は説明します。 「これは、ナノチャネルに液体を流すと、電流と電圧が発生することを意味します。」

「これは、ナノデバイスの表面電荷の化学平衡を利用して水力発電デバイスの動作を塩分スケール全体に拡張できるという私たちの重要な発見に遡ります」とTagliabue氏は付け加えた。 「確かに、流体イオン濃度が増加すると、ナノデバイスの表面電荷も増加します。その結果、より高濃度の流体を処理しながら、より大きな流体チャネルを使用できるようになります。これにより、精製水のみで使用するのではなく、水道水や海水で使用するデバイスの製造が容易になります。」

どこでも水、水
蒸発は広範囲の温度と湿度で、さらには夜間でも継続的に発生する可能性があるため、より効率的な HV デバイスには多くの刺激的な潜在的なアプリケーションが存在します。研究者らは、スイス国立科学財団の開始助成金の支援を受けて、この可能性を探求したいと考えている。この助成金は、実機でのプロトタイプモジュールを含む「大規模および小規模規模での廃熱回収と再生可能エネルギー生成のための全く新しいパラダイム」を開発することを目的としている。 -レマン湖の世界情勢。

また、HV デバイスは理論的には液体、あるいは汗などの湿気がある場所ならどこでも動作できるため、スマート TV から健康やフィットネスのウェアラブルまで、接続されたデバイスのセンサーに電力を供給するためにも使用できます。タグリアビュー氏は、光エネルギー採取および貯蔵システムにおける LNET の専門知識を活かして、光と光熱効果を HV システムの表面電荷と蒸発速度の制御にどのように使用できるかについても熱心に検討しています。

最後に、研究者らは、HV システムときれいな水の生成の間に重要な相乗効果があることも確認しています。

「蒸発表面によって生成された蒸気を凝縮させることで海水から淡水を採取できるため、自然蒸発は脱塩プロセスの推進に使用されます。今では、HV システムを使用して、きれいな水の生成と電力の利用を同時に行うことを想像できるでしょう」とアンワル氏は言いました。

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• 情報源： https://envirotecmagazine.com/2024/03/12/nanodevices-can-produce-energy-from-evaporating-tap-or-seawater/