연구자들은 수력전기 효과를 활용하는 나노크기 장치가 정제수보다 이온 농도가 높은 유체의 증발로부터 전기를 수확할 수 있으며, 아직 개발되지 않은 광대한 에너지 잠재력을 드러낼 수 있다는 사실을 발견했다고 말합니다.

증발은 자연적인 과정이므로 우리 대부분은 이를 당연하게 여깁니다. 실제로 지구에 도달하는 태양 에너지의 대략 절반은 증발 과정을 촉진합니다. 2017년부터 연구자들은 수력발전(HV) 효과를 통해 증발의 에너지 잠재력을 활용하기 위해 노력해 왔습니다. 이를 통해 유체가 나노 규모 장치의 대전된 표면 위로 통과할 때 전기를 수확할 수 있습니다. 증발은 수동 펌핑 메커니즘으로 작동하는 이러한 장치 내부의 나노채널 내에 연속적인 흐름을 설정합니다. 이 효과는 모세관 압력과 자연 증발의 조합으로 인해 물 수송이 발생하는 식물의 미세 모세관에서도 나타납니다.

현재 수력 발전 장치가 존재하지만 나노 규모에서 HV 에너지 생산을 지배하는 조건과 물리적 현상에 대한 기능적 이해가 거의 없습니다. 공과대학 에너지 기술 나노과학 연구소(LNET) 소장인 Giulia Tagliabue와 박사 과정 학생인 Tarique Anwar가 메우고 싶었던 것은 바로 정보 격차였습니다. 그들은 HV 장치 최적화를 목표로 실험과 다중물리 모델링의 조합을 활용하여 유체 흐름, 이온 흐름 및 고체-액체 상호 작용으로 인한 정전기 효과를 특성화했습니다.

“우리의 새롭고 고도로 제어된 플랫폼 덕분에 이것은 다양한 계면 상호 작용의 중요성을 강조하여 이러한 수력 발전 현상을 정량화하는 최초의 연구입니다. 그러나 그 과정에서 우리는 또한 수력 발전 장치가 광범위한 염도에서 작동할 수 있다는 중요한 사실을 발견했습니다. 이는 최고의 성능을 위해서는 고도로 정제된 물이 필요하다는 이전의 이해와 모순됩니다.”라고 Tagliabue는 말합니다.

LNET 연구는 최근 Cell Press 저널 Device에 게재되었습니다.

공개된 다중물리 모델
연구진의 장치는 나노구형 콜로이드 리소그래피라는 기술을 최초로 수력발전에 응용한 것으로, 이를 통해 정확하게 간격을 둔 실리콘 나노기둥의 육각형 네트워크를 만들 수 있었습니다. 나노기둥 사이의 공간은 유체 샘플을 증발시키기 위한 완벽한 채널을 만들었으며 유체 제한 및 고체/액체 접촉 영역의 효과를 더 잘 이해할 수 있도록 미세 조정될 수 있습니다.

“식염수 용액을 포함하는 대부분의 유체 시스템에는 동일한 수의 양이온과 음이온이 있습니다. 그러나 액체를 나노채널에 가두면 표면 전하와 반대 극성을 가진 이온만 남게 됩니다.”라고 Anwar는 설명합니다. “이것은 액체가 나노채널을 통해 흐르게 하면 전류와 전압이 생성된다는 것을 의미합니다.”

Tagliabue는 “이것은 나노장치의 표면 전하에 대한 화학적 평형을 활용하여 수력 발전 장치의 작동을 염분 수준에 걸쳐 확장할 수 있다는 우리의 주요 발견으로 돌아갑니다.”라고 덧붙였습니다. 실제로 유체 이온 농도가 증가함에 따라 나노장치의 표면 전하도 증가합니다. 결과적으로 우리는 더 높은 농도의 유체로 작업하면서 더 큰 유체 채널을 사용할 수 있습니다. 이를 통해 정제수만 사용하는 것이 아니라 수돗물이나 바닷물을 사용하는 장치를 더 쉽게 제작할 수 있습니다.”

사방에 물, 물,
증발은 광범위한 온도와 습도에서, 심지어 밤에도 지속적으로 발생할 수 있기 때문에 보다 효율적인 HV 장치에 대한 흥미로운 잠재적 응용 분야가 많이 있습니다. 연구원들은 실제 프로토타입 모듈을 포함하여 "대규모 및 소규모 규모의 폐열 회수 및 재생 가능 에너지 생성을 위한 완전히 새로운 패러다임"을 개발하는 것을 목표로 하는 스위스 국립 과학 재단 시작 보조금의 지원을 통해 이러한 잠재력을 탐구하기를 희망합니다. -제네바 호수의 세계 상황.

그리고 HV 장치는 이론적으로 액체 또는 땀과 같은 습기가 있는 곳 어디에서나 작동할 수 있기 때문에 스마트 TV부터 건강 및 피트니스 웨어러블에 이르기까지 연결된 장치의 센서에 전원을 공급하는 데에도 사용될 수 있습니다. 빛 에너지 수확 및 저장 시스템에 대한 LNET의 전문 지식을 바탕으로 Tagliabue는 빛과 광열 효과를 사용하여 HV 시스템의 표면 전하 및 증발 속도를 제어할 수 있는 방법도 알고 싶어 합니다.

마지막으로 연구원들은 HV 시스템과 깨끗한 물 생성 사이의 중요한 시너지 효과도 확인했습니다.

“자연 증발은 담수화 공정을 추진하는 데 사용됩니다. 증발 표면에서 생성된 증기를 응축하여 바닷물에서 담수를 수확할 수 있기 때문입니다. 이제 HV 시스템을 사용하여 깨끗한 물을 생산하고 동시에 전기를 활용하는 것을 상상할 수 있습니다.”라고 Anwar는 말했습니다.

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