Wassertropfen können auf diese Weise Strom erzeugen! Erschließung eines neuen Modells der Wasserkrafterzeugungstechnologie

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Shi Chang (PhD in Physikalischer Chemie)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Entwicklungen in Spitzenwissenschaft und -technologie zu verstehen, hat das Spitzenwissenschafts- und -technologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Hilfe beim Verstehen führender wissenschaftlicher Zeitschriften“ veröffentlicht, in der herausragende Artikel aus maßgeblichen Zeitschriften ausgewählt und so schnell wie möglich in einfacher Sprache interpretiert werden. Erweitern wir unseren wissenschaftlichen Horizont und genießen wir den Spaß an der Wissenschaft durch das Fenster der Top-Zeitschriften.

Die Erfindung der Elektrizität ist zweifellos eine tiefgreifende Revolution. Von der Erfindung des elektrischen Lichts durch Edison bis hin zu den verschiedenen heute erhältlichen elektronischen Geräten: Die Entstehung der Elektrizität bringt nicht nur Licht in die dunkle Nacht, sondern fördert auch die rasante Entwicklung von Industrie, Technologie und sogar der gesamten Gesellschaft. Wissen Sie, woher der Strom kommt, den wir in unserem täglichen Leben verbrauchen?

Leuchtende Glühbirne

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Im Laufe der Geschichte haben die Menschen jede erdenkliche Möglichkeit ausprobiert, um Elektrizität aus der Umwelt zu gewinnen. Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technik ist die Technologie zur Stromerzeugung immer vielfältiger geworden. Derzeit sind die wichtigsten Stromquellen die Stromerzeugung durch Wärmekraft, Wasserkraft, Photovoltaik, Windkraft, Kernkraft, Solarthermie usw.

Die thermische Stromerzeugung ist gegenwärtig eine der wichtigsten Methoden der Stromerzeugung, und mehr als die Hälfte des weltweiten Stroms stammt aus der thermischen Stromerzeugung. Bei der thermischen Stromerzeugung wird die Wärmeenergie, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Kohle, Öl und Erdgas entsteht, zur Stromerzeugung genutzt. Der Brennstoff verbrennt im Kessel und erhitzt das Wasser, um Dampf zu erzeugen. Der Dampfdruck treibt die Turbine an, die wiederum den Generator zur Stromerzeugung antreibt und so die Umwandlung von chemischer Energie, thermischer Energie, mechanischer Energie und elektrischer Energie ermöglicht.

Das Prinzip der Wasserkrafterzeugung besteht in der Ausnutzung von Wasserstandsunterschieden. Wenn Wasser von oben nach unten fließt, wird die potentielle Energie durch die Turbine in mechanische Energie umgewandelt und schließlich wird die mechanische Energie durch den Generator in elektrische Energie umgewandelt. Wasserkraft ist eine saubere und erneuerbare Energieform.

Staudamm eines Wasserkraftwerks

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Die Stromerzeugung durch Photovoltaik ist eine Methode zur Stromerzeugung, bei der der photoelektrische Effekt von Halbleitermaterialien genutzt wird, um Lichtenergie direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Wenn Sonnenlicht auf ein Solarpanel scheint, regen die Photonen Elektronen im Halbleiter an und erzeugen einen elektrischen Strom. Die Stromerzeugung durch Photovoltaik bietet die Vorteile, dass sie umweltfreundlich, geräuschlos und nachhaltig ist. Es handelt sich um eine Technologie für erneuerbare Energien, die sich in den letzten Jahren rasant entwickelt hat.

Bei der Stromerzeugung durch Windkraft handelt es sich um eine Methode zur Stromerzeugung durch Umwandlung der kinetischen Energie des Windes in elektrische Energie. Die Rotorblätter der Windturbine drehen sich unter der Einwirkung des Windes und die Rotationsgeschwindigkeit wird durch den Drehzahlbeschleuniger erhöht, wodurch der Generator zur Stromerzeugung angetrieben wird. Auch die Erzeugung von Windenergie ist eine saubere und erneuerbare Art der Energienutzung, und die Windenergieressourcen sind weit verbreitet.

Erzeugung erneuerbarer Energien

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Die Energiequelle der Kernenergieerzeugung ist die Kernspaltung oder Kernfusion. Derzeit basiert die kommerzielle Stromerzeugung durch Kernenergie hauptsächlich auf Kernspaltungsreaktionen, bei denen große Mengen Wärmeenergie freigesetzt werden können, die zum Erhitzen von Wasser zur Dampferzeugung und zum Antrieb von Turbinen zur Stromerzeugung verwendet wird. Die Stromerzeugung aus Kernenergie bietet die Vorteile einer hohen Energiedichte und geringen Umweltverschmutzung, birgt jedoch auch Sicherheitsrisiken und technische Schwierigkeiten.

Das Prinzip der solarthermischen Stromerzeugung unterscheidet sich von dem der photovoltaischen Stromerzeugung und nutzt die Strahlungsenergie der Sonne. Sonnenstrahlungsenergie wird durch Kollektoren in Wärmeenergie umgewandelt, die dann zum Erhitzen des Mediums verwendet wird und so den Dampfturbinengenerator zur Stromerzeugung antreibt. Die Stromerzeugung durch Solarthermie bietet die Vorteile einer starken Energiespeicherkapazität und einer stabilen Stromerzeugung.

Erforschung der Wasserkrafttechnologie im mikroskopischen Bereich

Die Erzeugung von Wasserkraft ist in den letzten Jahren zu einer aufstrebenden Technologie zur Erzeugung sauberer Energie geworden. Anders als bei der herkömmlichen Wasserkrafterzeugung wird bei der Wasserkrafterzeugung die Wechselwirkung zwischen Funktionsmaterialien und Wassertropfen, Wasserdampf, Luftfeuchtigkeit usw. in der mikroskopischen Welt zur Stromerzeugung genutzt, indem die Energie im Wasser direkt in Elektrizität umgewandelt wird.

Wassertropfen auf Blättern

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Mit der rasanten Entwicklung von Nanomaterialien wird die Technologie zur Stromerzeugung durch Wasserkraft immer vielfältiger. Wenn beispielsweise Graphenmaterial aus einer Flüssigkeit entnommen wird, wird beim Durchdringen der Wasseroberfläche ein elektrisches Feld erzeugt, wodurch eine Entladung nach außen erfolgt.

Wenn Wassertropfen auf eine Seite eines Nanomaterials (poröser Kohlenstofffilm, poröser Kupferoxid-Nanodrahtfilm usw.) getropft werden, fließen die Wassertropfen aufgrund der Kapillarpenetration auf die andere Seite des Materials und während des Fließens der Wassertropfen wird elektrische Energie freigesetzt.

Herkömmliche Geräte zur Stromerzeugung durch Wassertropfen verlieren ihre Fähigkeit zur Stromerzeugung, da die Oberfläche des Materials vollständig benetzt wird und die Stromerzeugungszeit nur wenige Minuten beträgt, was in der praktischen Anwendung große Einschränkungen mit sich bringt. Ist es also möglich, mit der Tradition zu brechen und die Betriebszeit von Geräten zur Stromerzeugung durch Wassertropfen zu verlängern?

Neues Material zur Stromerzeugung durch Wassertropfen entwickelt

Am 15. Juli 2024 veröffentlichten chinesische Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology eine Forschungsarbeit über die Erzeugung elektrischer Energie durch Upstream-Protonendiffusion in zweidimensionalen Nanokanälen. Diese Technologie durchbricht das Muster der herkömmlichen Stromerzeugung durch Wassertropfen, bei dem die Richtung der Ionenbewegung mit der Richtung des Wasserflusses übereinstimmt, und verbessert so die Effizienz und Dauer der Stromerzeugung durch Wassertropfen.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht

(Bildquelle: Zeitschrift Nature Nanotechnology)

Die Forscher verwendeten Vakuumfiltrationstechnologie, um die gemischte Lösung aus MXene (Ti3C2Tx) und PVA (Polyvinylalkohol) zu filtern, und legten das Filtrat zum Trocknen an die Luft. Schließlich erhielten sie eine MXene/PVA-Verbundmembran (MPCF) . Die Verbundmembran und die Elektrode bilden zusammen ein Gerät zur Stromerzeugung aus Wassertropfen.

Warum ist dieser Film so magisch?

MXene ist ein neues zweidimensionales Nanomaterial. Dieser Materialtyp besteht aus Übergangsmetallen (Titan, Vanadium, Zirkonium usw.) und nichtmetallischen Elementen (Kohlenstoff, Stickstoff). Es weist eine geschichtete dreidimensionale Struktur aus gestapelten Blättern auf, ähnlich wie Graphen. MXene verfügt über hervorragende Leitfähigkeitseigenschaften und wird häufig in Sensoren, zur elektromagnetischen Abschirmung und in anderen Bereichen eingesetzt.

PVA ist ein häufig verwendetes hochmolekulares Polymer, sein chinesischer Name ist Polyvinylalkohol, das normalerweise als Klebstoff und Einkapselungsmittel verwendet wird. Der Holzleim und die festen Klebestifte, die wir im Alltag verwenden, enthalten große Mengen Polyvinylalkohol.

A. Schematische Darstellung des Funktionsprinzips und der Kanalstruktur des MPCF-Geräts; B. Rasterelektronenmikroskop-Bild mit einem ringförmigen Dunkelfeld und großem Winkel; C. Diagramm der Spannungs- und Stromschwankungen im Zeitverlauf; D. Leistungsvergleich von Stromerzeugungsgeräten; ef. Diagramm der Beziehung zwischen der Position des Wassertropfens und der Stromerzeugungsspannung.

(Bildquelle: Referenz 1)

Um die Rolle des MXene/PVA-Verbundfilms bei der Stromerzeugung aus Wassertropfen aufzudecken, charakterisierten die Forscher seine Struktur. Die Ergebnisse zeigten, dass die MXene-Nanoblätter im Verbundfilm mit PVA umwickelt und zu einer wohlgeordneten, geschichteten Nanostruktur gestapelt waren, in der es einige Kanäle gab, die Wege für die Bewegung von Wassertropfen und Ionen boten.

Darüber hinaus enthalten die Nanokanäle der Verbundmembran eine große Anzahl sauerstoffhaltiger funktioneller Gruppen (spezifische Atome oder Atomgruppen in organischen Molekülen, die die chemischen Eigenschaften organischer Materie bestimmen). Die sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen können mit Wasser reagieren und dabei eine große Anzahl von Protonen erzeugen, die bei der Energieerzeugung aus Wassertropfen eine wichtige Rolle spielen.

Wie erzeugt MXene/PVA-Verbundfolie Strom?

Die Forscher fügten zwei Platinelektroden auf der linken und rechten Seite der Verbundmembran ein, um ein Modell eines Geräts zur Stromerzeugung aus Wassertropfen auf der Grundlage der MXene/PVA-Verbundmembran zu bilden, und verwendeten Methoden der molekularen Dynamiksimulation, um die Wechselwirkung zwischen Wassertropfen und der Verbundmembran sowie das Prinzip der Stromerzeugung aufzudecken.

Wenn ein Wassertropfen auf die Verbindung zwischen der Verbundmembran und der linken Elektrode fällt, dringt der Wassertropfen aufgrund der Kapillarosmose in die Poren innerhalb der Verbundmembran ein und bildet einen „Wasserfluss“ von links nach rechts.

Die Wassermoleküle in den inneren Kanälen der Verbundmembran reagieren mit sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen und erzeugen Protonen, was zu einer Erhöhung der Protonenkonzentration im Kanal und einem Unterschied in der Protonenkonzentration mit den Wassertropfen führt. Dieser Konzentrationsunterschied treibt die Protonen dazu, sich in Richtung der stromaufwärts gelegenen Wassertropfen mit niedriger Konzentration zu bewegen, wodurch sich eine große Anzahl von Protonen an der linken Elektrode sammelt, was dazu führt, dass das Potenzial der linken Elektrode höher ist als das der rechten Seite. Wenn die beiden Elektroden durch einen Draht verbunden sind, werden Elektronen von der rechten Elektrode zur linken Elektrode geleitet und so ein elektrischer Strom erzeugt.

A. Schematische Darstellung des MPCF-Stromerzeugungsprinzips; B. Molekulardynamischer Simulationsprozess; C. Veränderung der Protonenzahl im Laufe der Zeit; D. Verteilung der Wasser- und Protonenkonzentration in MPCF; e. Veränderung der Protonenkonzentration im Laufe der Zeit.

(Bildquelle: Referenz 1)

Experimentelle Testergebnisse zeigen, dass durch das Auftropfen von 5 Mikrolitern Wasser auf die Verbundmembran eine Spannung von mehr als 400 Millivolt erzeugt werden kann und nach 330 Minuten die Spannung immer noch über 300 Millivolt gehalten werden kann. Wenn das Volumen des Wassertropfens auf 10 μl, 20 μl und 30 μl ansteigt, kann die Stromerzeugungszeit auf 500 Minuten, 630 Minuten bzw. 830 Minuten verlängert werden.

Bewerbungsaussichten

Der MXene/PVA-Verbundfilm hat die Vorteile einer geringen Dicke und einer stabilen Struktur. Das Volumen der integrierten Mikrostromerzeugungsanlage beträgt weniger als 0,1 Kubikzentimeter, was bei miniaturisierten, energieautarken Systemen von großem Wert ist.

Sportarmband

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Das Gerät zur Stromerzeugung durch Wassertropfen, das diesen Verbundfilm enthält, kann in Kleidung integriert werden. Nachdem der Benutzer 20 Minuten trainiert hat, kann die vom Stromerzeugungsgerät absorbierte Feuchtigkeit eine Spannung von etwa 350 Millivolt und einen Strom von etwa 2 Mikroampere erzeugen und 20 Minuten lang anhalten. Bei Verwendung von menschlichem Schweiß (der Natriumchlorid enthält) zur Stromerzeugung kann die Stromversorgungszeit des Geräts zur Stromerzeugung aus Wassertropfen auf 30 Tage verlängert werden.

Stellen Sie sich vor, Sie würden ein Armband tragen, das durch Wassertropfen angetrieben wird. Dann müssten Sie sich keine Gedanken mehr über die Batterielebensdauer machen. Auch wenn Sie gerade nicht trainieren, können Sie es aufladen, indem Sie ein paar Tropfen Wasser darauf geben oder Feuchtigkeit aus der Umgebung aufnehmen. Dies bringt nicht nur Komfort für unser Leben, sondern trägt auch zum Ziel bei, Strom zu sparen.

Abschluss

Mit dem Fortschritt und der Innovation in Wissenschaft und Technologie vollzieht die Menschheit allmählich den Übergang von natürlichen Ressourcen zu nachhaltiger Energie. Lassen Sie uns zusammenarbeiten, unsere Forschung und Praxis weiter vorantreiben und gemeinsam den glorreichen Moment erleben, in dem die Technologie zur Stromerzeugung durch Wasserkraft vom Traum zur Realität wird.

Quellen:

1.Xia, H., Zhou, W., Qu, X. et al. Elektrizität, die durch Upstream-Protonendiffusion in zweidimensionalen Nanokanälen erzeugt wird[J]. Nat. Nanotechnologie, 2024.

2.Xu, W., Zheng, H., Liu, Y. et al. Ein tröpfchenbasierter Stromgenerator mit hoher momentaner Leistungsdichte [J]. Natur, 2020.

3. Feng Sijia, Li Lianhui, Liu Mengyuan et al. Flechtbarer flexibler faserförmiger hydrovoltaischer Nanogenerator[J]. Science China: Technische Wissenschaften, 2022.

4. Zhang Jijun, Zhang Pu. Hydrovoltaische Induktionsstromerzeugungstechnologie und ihr Anwendungsschema für Navigationszeichen[J]. Chinesische Maritime Angelegenheiten, 2020.