Un team di ricerca guidato da scienziati della City University di Hong Kong (CityU) ha recentemente sviluppato un generatore di elettricità (DEG) basato su goccioline con una struttura simile a un transistor ad effetto di campo (FET) che consente un'elevata efficienza di conversione dell'energia e potenza istantanea densità migliaia di volte quella dei suoi omologhi senza tecnologia FET. Ciò contribuirebbe a far progredire la ricerca scientifica sulla produzione di energia idrica e ad affrontare la crisi energetica.

La ricerca è stata condotta insieme dal professor Wang Zuankai del Dipartimento di ingegneria meccanica di CityU, Professor Zeng Xiao Cheng dell'Università del Nebraska-Lincoln, e il professor Wang Zhong Lin, direttore fondatore e capo scienziato dell'Istituto di nanoenergia di Pechino e dei nanosistemi dell'Accademia cinese delle scienze. I loro risultati sono stati pubblicati in Natura in uno studio intitolato "Un generatore di elettricità basato su goccioline con un'elevata densità di potenza istantanea".

Efficienza della conversione dell'energia elettrica notevolmente migliorata

Circa il 70% della superficie terrestre è coperta dall'acqua. Eppure l'energia cinetica a bassa frequenza contenuta nelle onde, maree, e anche le gocce di pioggia non vengono convertite in modo efficiente in energia elettrica a causa delle limitazioni della tecnologia attuale. Per esempio, un generatore di energia convenzionale basato sull'effetto triboelettrico può generare elettricità indotta dall'elettrificazione del contatto e dall'induzione elettrostatica quando una goccia colpisce una superficie. Però, la quantità di cariche generate sulla superficie è limitata dall'effetto interfacciale, e come risultato, l'efficienza di conversione energetica è piuttosto bassa.

Al fine di migliorare l'efficienza di conversione, il gruppo di ricerca ha trascorso due anni a sviluppare il DEG. La sua densità di potenza istantanea può raggiungere fino a 50,1 W/m ² , migliaia di volte superiore rispetto ad altri dispositivi simili senza l'uso di un design simile a FET. E l'efficienza di conversione dell'energia è nettamente superiore.

Il professor Wang di CityU ha sottolineato che ci sono due fattori cruciali per l'invenzione. Primo, il team ha scoperto che le goccioline continue che colpiscono il PTFE, un materiale elettrete con una carica elettrica quasi permanente, fornisce un nuovo percorso per l'accumulo e lo stoccaggio di cariche superficiali ad alta densità. Hanno scoperto che quando le gocce d'acqua colpiscono continuamente la superficie del PTFE, le cariche superficiali generate si accumuleranno e raggiungeranno gradualmente una saturazione. Questa nuova scoperta ha aiutato a superare il collo di bottiglia della bassa densità di carica riscontrato nel lavoro precedente.

Struttura unica simile a un transistor ad effetto di campo

Un'altra caratteristica fondamentale del loro design è un insieme unico di strutture simili a un FET, l'elemento base dei moderni dispositivi elettronici. Il dispositivo è costituito da un elettrodo in alluminio e un elettrodo in ossido di indio e stagno (ITO) su cui è depositato un film di PTFE. L'elettrodo PTFE/ITO è responsabile della generazione di carica, stoccaggio e induzione. Quando una goccia d'acqua che cade colpisce e si diffonde sulla superficie in PTFE/ITO, "ponte" naturalmente l'elettrodo di alluminio e l'elettrodo di PTFE/ITO, trasformando il sistema originario in un circuito elettrico ad anello chiuso.

Con questo design speciale, un'alta densità di cariche superficiali può essere accumulata sul PTFE attraverso l'urto continuo di gocce. Nel frattempo, quando l'acqua di spargimento collega i due elettrodi, tutte le cariche immagazzinate sul PTFE possono essere completamente rilasciate per la generazione di corrente elettrica. Di conseguenza, sia la densità di potenza istantanea che l'efficienza di conversione dell'energia sono molto più elevate.

"La nostra ricerca mostra che una goccia di 100 microlitri d'acqua rilasciata da un'altezza di 15 cm può generare una tensione di oltre 140V. E la potenza generata può accendere 100 piccole lampadine a LED, ", ha detto il professor Wang.

Ha aggiunto che l'aumento della densità di potenza istantanea non deriva da energia aggiuntiva, ma dalla conversione dell'energia cinetica dell'acqua stessa. "L'energia cinetica implicata nella caduta dell'acqua è dovuta alla gravità e può essere considerata gratuita e rinnovabile. Dovrebbe essere utilizzata meglio".

La loro ricerca mostra anche che la riduzione dell'umidità relativa non influisce sull'efficienza della generazione di energia. Anche, sia l'acqua piovana che l'acqua di mare possono essere utilizzate per generare elettricità.

Facilita la sostenibilità del mondo

Il professor Wang sperava che il risultato di questa ricerca avrebbe aiutato a raccogliere energia idrica per rispondere al problema globale della carenza di energia rinnovabile. "Generare energia dalle gocce di pioggia invece che dal petrolio e dall'energia nucleare può facilitare lo sviluppo sostenibile del mondo, " Ha aggiunto.

Credeva che a lungo andare, il nuovo design potrebbe essere applicato e installato su diverse superfici, dove il liquido a contatto con il solido, sfruttare appieno l'energia cinetica a bassa frequenza nell'acqua. Questo può variare dalla superficie dello scafo del traghetto, costa, sulla superficie degli ombrelli o persino all'interno di bottiglie d'acqua.