どんな素材を用いても、湿った空気から電気を安定供給できる画期的な方法が見つかった。
まだ実用化には至っていないが、“他のエネルギーハーベスターの限界を超えるものである”と、開発者は述べている。用いる材料は何でも良く、必要なのは、一対の電極と材料に直径100ナノメートル以下のナノサイズの穴が開いていることだ。これは人間の髪の毛の1,000分の1ほどの幅であるが、それ自体は予想よりも簡単に実現できるとのことだ。
マサチューセッツ大学アマースト校のエンジニア、Xiaomeng Liu氏が率いる研究チームによると仕組みはこうだ：この小さな穴が水分子を通過させ、水分子によって蓄積された電荷から電気を発生させることができるのだ。
彼らはこれを「ジェネリック・Air-gen効果（generic Air-gen Effect)」と名付けた。
マサチューセッツ大学アマースト校のエンジニア、Jun Yao氏は、「空気には膨大な量の電気が含まれています。雲を思い浮かべてください。雲は水滴の塊にすぎません。水滴のひとつひとつに電荷があり、条件が整えば、雲は稲妻を発生させることができます。しかし、雷から確実に電気を取り出す方法はわかっていません。私たちが行ったのは、人間が作った小規模な雲を作り、予測可能かつ継続的に電気を発生させ、それを利用することです」と、このアイデアについて説明する。
このプロセスは、雲が稲妻の電気を作るのと同じだが、湿度は常に空気中に存在するため、風力や太陽光のような信頼性の低い再生可能エネルギー技術とは異なり、天候に左右されることなく、いつでも電気を集めることができる。
Air-genデバイスは、セルロースやシルクプロテイン、酸化グラフェンなどの薄いフィルム状の素材から作られている。空気中の水分子はナノ孔に入りやすく、フィルムの上から下へ移動するが、移動中に孔の側面にぶつかってしまう。
そして、より多くの水分子がフィルムの上部に流れ込むため、両者の間に電荷のアンバランスが生じるのだ。
これは、雷を発生させる雲と同じような効果をもたらす。空気の上昇により、雲の上部で水滴同士の衝突が多くなり、雲の上部ではプラスの電荷が過剰に、下部ではマイナスの電荷が過剰になるのだ。
この場合、電荷は小型機器への電力供給や、何らかのバッテリーに蓄えられる可能性がある。
現時点では、まだ初期段階である。研究チームがテストしたセルロースフィルムは、周囲環境で260ミリボルトの自発電圧出力を示したが、一般的なスマートフォンでは約5ボルトの電圧出力が必要である。しかし、フィルムが薄いということは、Air-genデバイスをより実用的なものにするために、フィルムを積み重ねてスケールアップさせることができると言う事だ。
また、異なる材料で作ることができるため、使用する環境に応じてデバイスを適合させることができると研究者は述べている。
「このアイデアはシンプルですが、これまで発見されたことがなく、あらゆる可能性が広がっています。熱帯雨林の環境ではある種の材料で作られた収穫機を、より乾燥した地域では別の材料で作られた収穫機を想像することができます」と、Yao氏は述べている。
次のステップは、さまざまな環境でデバイスをテストし、さらに規模を拡大する作業を行うことだ。Air-genの効果は本物であり、それが示す可能性は非常に大きい。
「これはとてもエキサイティングなことです。私たちは、薄い空気からクリーンな電気を採取するための広い扉を開いているのです」と、Liu氏は述べている。
論文
- Advanced Materials: Generic Air‐Gen Effect in Nanoporous Materials for Sustainable Energy Harvesting from Air Humidity
参考文献
研究の要旨
湿った空気は、太陽や風とは異なり、連続的に利用可能な膨大で持続可能なエネルギーの貯蔵庫である。しかし、これまで報告されてきた湿った空気からのエネルギーハーベスティング技術は、連続的でないか、あるいは独自の材料合成や加工を必要とするため、スケーラビリティや幅広い展開に支障をきたしてきました。ここでは、無機・有機・生体材料に適用可能な、湿度からの連続的なエネルギーハーベスティングの汎用的な効果を報告する。これらの材料に共通する特徴は、適切なナノ孔を設けて空気中の水分を通過させ、多孔質界面で動的な吸脱着交換を行い、表面充電を行うことである。薄膜デバイスの構造上、上部の露出面は下部の密閉面よりもこの動的な相互作用を多く経験するため、自発的かつ持続的な充電勾配が得られ、連続的な電気出力が得られる。材料特性と電気出力の解析から、電気がどのように利用されるかを説明し、実験と一致する電流の挙動を予測する「リーキーキャパシタ」モデルが導き出されました。このモデルによる予測は、異なる材料の異種接合からなるデバイスの作製を導き、デバイスのカテゴリーをさらに拡大するものです。この研究は、空気から持続可能な電気を得るための幅広い探求の扉を開くものです。
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