Μικροσκοπικές αντλίες νερού παράγουν ηλεκτρισμό από το νερό

Από σελίδα του NewScientist, 20 Οκτωβρίου 2003

Ένας εξ ολοκλήρου νέος τρόπος έχει ανακαλυφθεί για παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας. Ο τρόπος που δουλεύει είναι απλός: Το νερό συμπιέζεται μέσω λεπτών σωληνώσεων και τότε ρέει ηλεκτρικό ρεύμα.

Εάν η τάση που παίρνουμε μπορεί να αυξηθεί, λέει ο Larry Kostiuk του Πανεπιστημίου Αλμπέρτα στο Έντμοντον του Καναδά, τότε η υψηλή πίεση του νερού θα μπορούσε μια ημέρα να χρησιμοποιηθεί σε μικρές ηλεκτρικές συσκευές, όπως τα κινητά τηλέφωνα και οι υπολογιστές.

Οι υδατοστρόβιλοι χρησιμοποιούνται συνήθως για να μετατρέψουν την μηχανική ενέργεια του νερού, που ρέει, σε ηλεκτρική ενέργεια, χρησιμοποιώντας την κίνηση του νερού για να λειτουργήσει ένα δυναμό. Ενώ και η μαγνητουδροδυναμική χρησιμοποιεί το νερό για παραγωγή ενέργειας.

Η νέα συσκευή όμως μετατρέπει την κίνηση του νερού άμεσα σε ρεύμα.

Οι φυσικοί ήξεραν ήδη για ένα ηλεκτρικό φαινόμενο. Συγκεκριμένα ήξεραν, ότι η ροή του νερού μέσα από σωλήνες μικρής διαμέτρου παρεμποδίζεται από ένα ηλεκτρικό φαινόμενο. Η επιφάνεια των τοιχωμάτων των στενών αγωγών φορτίζονται, είτε επειδή κολλούν πάνω τους ιόντα είτε επειδή διαλύονται στο νερό ορισμένα από τα συστατικά τους. Αυτό δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο, που εν συνεχεία εμποδίζει τη ροή των φορτισμένων ιόντων μέσω των σωληνίσκων.

Παραδείγματος χάριν, όταν τα τοιχώματα των λεπτών σωλήνων είναι αρνητικά φορτισμένα, τότε ελκύουν τα θετικά ιόντα στο νερό, επιβραδύνοντας τη ροή τους. Τα αρνητικά ιόντα ωθούνται προς το κέντρο του σωλήνα όπου κινούνται γρηγορότερα. Αυτό σημαίνει ότι το αρνητικό φορτίο αυξάνει σταδιακά στην απομακρυσμένη άκρη του καναλιού ενώ το πλησιέστερο άκρο γίνεται θετικό, κάνοντας έτσι σταδιακά δυσκολότερο να προωθηθεί το νερό στο σωλήνα.

Διαφορετική άποψη

Αυτό βέβαια ήταν γνωστό από παλιά, αλλά όταν ο Kostiuk, ένας μηχανικός, έμαθε για αυτό το φαινόμενο από ένα συνάδελφό του, κατάλαβε ότι υπήρχε δυνατότητα εκμετάλλευσης του δυναμικού. "Με το τεχνολογικό υπόβαθρό που είχα, παρατήρησα το φαινόμενο  με ένα διαφορετικό τρόπο", εξήγησε. Συνδέοντας με ένα καλώδιο τα δύο άκρα του σωλήνα, έδωσαν την ευκαιρία στο φορτίο να κάνει μια κλειστή διαδρομή και να παραχθεί ένα ρεύμα.

Για να εξετάσουν την ιδέα του, ο Kostiuk και η ομάδα του, άντλησαν συνηθισμένο νερό της βρύσης μέσω ενός δίσκου από γυαλί διαμέτρου 2 cm, που φέρει περίπου μισό εκατομμύριο μικροσκοπικές οπές, διαμέτρου 10 μm έως 16 μm (εκατομμυριοστών του μέτρου). Έφτιαξαν μια δεξαμενή με νερό 30 cm πάνω από τη διάταξη και έτσι ανάγκασαν το νερό να ρέει μέσω των μικρών σωληνώσεων.

Αφού σύνδεσαν από ένα ηλεκτρόδιο σε κάθε άκρη, δημιουργήθηκε τότε ένα ρεύμα 1500 nanoamps. Η ισχύς εξόδου θα μπορούσε να βελτιωθεί με την αύξηση της πίεσης, τη ρύθμιση του μεγέθους των μικροσωληνίσκων, τη μείωση του πάχους του δίσκου του γυαλιού ή τη χρησιμοποίηση ενός υγρού με μια υψηλότερη συγκέντρωση άλατος. Προς το παρόν, λέει ο Kostiuk, "είναι παθητική συσκευή - με απόδοση ένα τοις εκατό".

Αλλά ένας άλλος τρόπος να εξαχθεί περισσότερο ρεύμα θα ήταν να αυξηθεί ο αριθμός των μικροσωλήνων. Από αυτή την άποψη, η φύση μπορεί να προσφέρει μερικές χρήσιμες πηγές ενέργειας. Εκεί όπου το νερό ρέει υπόγεια μέσα σε πορώδες βράχο, παραδείγματος χάριν, συμπιέζεται μέσω πολλών μικροσκοπικών καναλιών. Ο Kostiuk προτείνει ότι αν θάψουμε κατάλληλα ηλεκτρόδια στο έδαφος θα μπορούσαμε να πάρουμε το ρεύμα που παράγει.

Ο Jordan MacInnes, ένας εμπειρογνώμονας στη δυναμική των ρευστών στο Πανεπιστήμιο του Sheffield, αναμένει ότι το φαινόμενο θα είναι μάλλον μικρό: "Θα χρειάζονταν χρόνια για να φορτιστεί ένα κινητό τηλέφωνο."

Η έρευνα δημοσιεύεται στο Journal of Micromechanics and Microengineering.