Вдоль береговых линий мира существует практически неиспользованный источник энергии: разница в солености морской воды и пресной. Новое наноустройство может использовать эту разницу для выработки энергии.

Группа исследователей из Университета Иллинойса Урбана-Шампейн опубликовала в журнале Nano Energy проект наножидкостного устройства, способного преобразовывать поток ионов в полезную электроэнергию. Команда считает, что их устройство может быть использовано для извлечения энергии из естественных ионных потоков на границе морской воды и пресной.

«Хотя на данном этапе наш дизайн все еще является концепцией, он достаточно универсален и уже демонстрирует большой потенциал для применения в энергетике», — сказал Жан-Пьер Лебуртон, профессор электротехники и вычислительной техники U.I. и руководитель проекта. «Все началось с академического вопроса —«Может ли наноразмерное твердотельное устройство извлекать энергию из ионного потока?» — но наш дизайн превзошел наши ожидания и удивил нас во многих отношениях».

Когда встречаются два водоема с разной соленостью, например, там, где река впадает в океан, молекулы соли естественным образом перетекают из более высокой концентрации в более низкую. Энергию этих потоков можно собирать, потому что они состоят из электрически заряженных частиц, называемых ионами, которые образуются из растворенной соли.

Группа Лебертона разработала наноразмерное полупроводниковое устройство, которое использует в своих интересах явление, называемое «кулоновским сопротивлением» между текущими ионами и электрическими зарядами в устройстве. Когда ионы протекают по узкому каналу в устройстве, электрические силы заставляют заряды устройства перемещаться с одной стороны на другую, создавая напряжение и электрический ток.

Исследователи обнаружили два удивительных поведения, когда моделировали свое устройство. Во-первых, хотя они ожидали, что кулоновское сопротивление будет в основном возникать за счет силы притяжения между противоположными электрическими зарядами, моделирование показало, что устройство работает одинаково хорошо, если электрические силы отталкивают. Как положительно, так и отрицательно заряженные ионы способствуют сопротивлению.

«Не менее примечательно, что наше исследование показывает, что существует эффект усиления», — сказал Мингье Сюн, аспирант группы Лебертона и ведущий автор исследования. «Поскольку движущиеся ионы настолько массивны по сравнению с зарядами устройства, ионы придают зарядам большое количество импульса, усиливая основной ток».

Исследователи также обнаружили, что эти эффекты не зависят от конкретной конфигурации канала, а также от выбора материалов, при условии, что диаметр канала достаточно узкий, чтобы обеспечить близость между ионами и зарядами.

Исследователи находятся в процессе патентования своих результатов, и они изучают, как массивы этих устройств можно масштабировать для практического производства электроэнергии.

«Мы считаем, что плотность мощности массива устройств может соответствовать или превышать плотность солнечных элементов», — сказал Лебертон. «И это не говоря уже о потенциальных применениях в других областях, таких как биомедицинское зондирование и наножидкость».