Содержание
Атмосферное электричество — Энергетика и промышленность России — № 09 (317) май 2017 года — WWW.EPRUSSIA.RU
http://www.eprussia.ru/epr/317/5390484.htm
Газета «Энергетика и промышленность России» | № 09 (317) май 2017 года
О том, что электричество можно добывать из атмосферы, люди задумывались давно. Молнии, «огни святого Эльма», наглядно демонстрировали, что электричество в воздухе есть. Вопрос, как его добыть и можно ли его использовать в практических целях?
Одним из первых проводил опыты с воздушным электричеством Бенджамин Франклин – ученый и политический деятель, знакомый нам по портрету на стодолларовой купюре. Он изучал природу молний, запуская воздушного змея в грозу. Кстати, именно он изобрел громоотвод, конструкция которого практически не изменилась до наших дней, и ряд электростатических моторов.
Одновременно подобные опыты проводились и в других странах. Так, например, в России был убит молнией сподвижник Ломоносова Георг Рихман, когда в воздух поднимали провода, чтобы продемонстрировать, что электричество накапливается в облаках.
Земля – конденсатор
Сейчас природа атмосферного электричества достаточно хорошо изучена. Однако попытки использовать ее на благо человечества не прекращаются. Что вполне понятно: задачи получения «бесплатной» энергии волновали людей всегда.
Земля – хороший проводник электричества. Как и верхний слой атмосферы – ионосфера. Нижний же слой атмосферы обычно не проводит электричество, является электрическим изолятором. По сути – диэлектриком. Таким образом, планета и слои атмосферы являются огромным конденсатором, способным накапливать электроэнергию, подобно электрическому полю. Гигантский конденсатор постоянно заряжается в одних регионах и разряжается в других, создавая глобальный электрический контур. Таким образом, вероятно, вполне возможно создать атмосферную электростанцию, чтобы получать электричество из воздуха.
В нижних слоях атмосферы Земли идут интенсивные процессы испарения, переноса тепла и влаги, образования облаков, сопровождающиеся явлениями электризации.
Молнии и осадки также переносят к земле отрицательный заряд. В результате, у поверхности Земли напряженность электростатического поля достигает 100‑150 В / м летом и до 300 В / м зимой. Перед грозой регистрируют напряженность поля до десятков киловольт на метр и выше! Мы почти не чувствуем этого поля просто потому, что воздух – хороший изолятор.
Таким образом, в вероятности, вполне возможно создать атмосферную электростанцию, чтобы получать электричество из воздуха.
Станция из воздушных шаров
Как могла бы выглядеть атмосферная электростанция? Один из возможных способов ее создания состоит в запуске в атмосферу группы высотных воздушных шаров, способных притягивать электричество. Эти шары соединяются электропроводами, которые также закрепляют их на земле в резервуарах, содержащих раствор воды и электролита. Если такой шар поднимется до нижних ионизированных слоев атмосферы, постоянный электрический ток потечет по проводу через растворенный электролит, что приведет к разложению воды на водород и кислород.
Далее эти газы можно будет собрать так же, как в любом другом электролитическом устройстве. Водород можно использовать в качестве горючего для топливных элементов или для автомобилей на водородном топливе.
Эксперименты с аэростатами, изготовленными из тонких листов магниево-алюминиевого сплава, покрытого очень острыми, электролитическим способом изготовленными иглами, провел в Финляндии доктор Герман Плаусон. Иглы содержали также примесь радия, чтобы увеличить местную ионизацию воздуха. Поверхность аэростата также красили цинковой амальгамой, которая в солнечную погоду давала дополнительный ток вследствие фотоэффекта.
Плаусон получил мощность 0,72 кВт от одного аэростата и 3,4 кВт от двух, поднятых на высоту 300 м. На свои устройства он в 1920‑х гг. получил патенты США, Великобритании и Германии. Его книга «Получение и применение атмосферного электричества» содержит детальное описание всей технологии.
Доводы скептиков
Но действительно ли запасы электричества Земли велики?
По мнению скептиков, множество проектов по использованию электрического поля планеты опираются на совершенно мифические механизмы отбора энергии от глобального конденсатора.
Для начала стоит заметить, что возникают противоречия в подсчете емкости конденсатора, образованного поверхностью Земли и ионосферой (расхождение результатов – более чем в 1000 раз!).
Земной конденсатор заряжен до напряжения приблизительно 300 кВ, причем поверхность Земли имеет отрицательный заряд, а ионосфера – положительный. Напряженность поля между «обкладками» такого конденсатора составляет 120‑150 В / м у поверхности и резко падает с высотой.
Как у всякого конденсатора, в нем имеются токи утечки. Эти токи очень малы. Но пересчет на всю поверхность Земли дает суммарный ток утечки около 1800 А. А электрический заряд Земли оценивается в 5,7×105 степени кулон. То есть земной конденсатор должен разрядиться всего за 8‑10 мин.
На практике мы подобной картины не наблюдаем. Значит, существует некий природный генератор, мощностью более 700 МВт, компенсирующий потерю заряда системы Земля – ионосфера.
Современная наука оказалась бессильной объяснить механизмы подзарядки конденсатора.
На сегодня существует более десяти гипотез, описывающих механизмы и процессы поддержания постоянного заряда Земли. Но экспериментальная проверка и уточненные расчеты показывают недостаточность количества вырабатываемых зарядов для поддержания стабильного значения поля Земли.
В числе кандидатов на генераторы зарядов рассматривались грозы, циркуляция токов в расплавленной мантии Земли, поток частиц от Солнца (солнечный ветер). Выдвигалась даже экзотическая гипотеза о существовании природного МГД генератора, работающего в верхних слоях атмосферы. Но сегодня наука точно не знает, откуда восполняются заряды природного конденсатора. Возможно, каждый из перечисленных механизмов дает свой вклад в пополнение заряда земного накопителя.
Попытки использовать напряженность поля Земли в утилитарных целях предпринимались более двух веков. Лучшее достижение – уже упомянутые конструкции с использованием аэростатов – позволили получить мощность около 1 кВт, а современные, реально работающие схемы позволяют лишь запитать маломощный светодиод или подзарядить мобильный телефон.
Дело в том, что проводимость атмосферного воздуха составляет только 10–14 степени Сименс / метров. Отобрать от столь высокоомного источника заметную мощность просто невозможно. Для этого детали «генератора» должны иметь более надежную изоляцию – иначе он быстро «закорачивается».
Воздушная электроэнергия
Однако доводы скептиков не останавливают экспериментаторов.
По их мнению, высокая разность потенциалов между поверхностью Земли и ионосферой приводит к формированию мощного электрического поля в тропосфере и стратосфере. Заряд в этом суперконденсаторе поддерживается за счет солнечного излучения, космических лучей, а также радиоактивности земной коры. Все эти излучения взаимодействуют с магнитным полем Земли и атомами в верхних слоях атмосферы, пополняя заряд суперконденсатора.
Постоянный заряд атмосферного суперконденсатора составляет от 250 000 до 500 000 В, что сопоставимо с напряжением высоковольтных электрических линий. Однако разница электрических потенциалов поверхности Земли и атмосферы – это постоянный ток, а не переменный.
Общее среднее значение силы тока, протекающего через атмосферный суперконденсатор, только в результате гроз составляет 1500 А (по два ампера на каждую из 750 гроз). Электрическая мощность в ваттах составляет произведение силы тока в амперах на напряжение в вольтах. Приведенные выше цифры означают, что земная атмосфера постоянно рассеивает несколько сотен миллионов ватт электроэнергии. Этой мощности хватает на полное пиковое обеспечение электроэнергией среднего города.
Преимущества и недостатки атмосферных электростанций
В качестве преимуществ отмечаются следующие факторы:
• земельно-ионосферный суперконденсатор постоянно подзаряжается с помощью возобновляемых источников энергии – солнца и радиоактивных элементов земной коры;
• атмосферная электростанция не выбрасывает в окружающую среду никаких загрязнителей;
• оборудование атмосферных станций не бросается в глаза. Воздушные шары находятся слишком высоко для того, чтобы их увидеть невооруженным глазом;
• атмосферная электростанция способна вырабатывать энергию постоянно, если поддерживать шары в воздухе.
Недостатки:
• атмосферное электричество, как и энергию солнца или ветра, трудно запасать. Его необходимо либо использовать сразу же, на месте получения, либо преобразовывать в любую другую форму, например в водород;
• значительная разрядка земельно-ионосферного суперконденсатора может нарушить баланс глобального электрического контура. В этом случае последствия для окружающей среды будут непредсказуемы;
• высокое напряжение в системах атмосферных электростанций может быть опасным для обслуживающего персонала;
• воздушные шары необходимого размера сложно обслуживать и поддерживать на необходимой высоте. Кроме того, они могут представлять опасность для авиации;
• общее количество электроэнергии, которую можно получать из атмосферы, ограничено. В лучшем случае атмосферная энергетика может служить лишь незначительным дополнением к другим источникам энергии.
Если атмосферная электростанция когда‑либо будет построена, то наиболее вероятным местом ее расположения окажется некий островок в океане, а воздушные шары будут крепиться к земле двумя-тремя проводами.
Попытка соорудить ее в жилом месте может привести к значительным разрушениям (например, во время торнадо).
Также читайте в номере № 09 (317) май 2017 года:
- Чёрное небо Красноярска: кто в ответе
Крупнейшие «кочегарки» Красноярска приняли на себя обязательство вложить значительные суммы в решение экологических проблем города, в частности в сокращение объема атмосферных выбросов.
… - Позиции «Сименс Финанс» растут, а ставки — падают!
В соответствии с исследованием RAEX («Эксперт РА»), «Сименс Финанс» занимает 1 место среди лизинговых компаний России в финансировании энергетического оборудования. Такой результат – показатель опыта и экспертных знаний. Чтобы сдел… - Ветряная энергетика набирает обороты
По прогнозам французской компании Dassault Systèmes, занимающейся решениями в области 3D-проектирования, создания цифровых 3D-макетов и прикладного программного обеспечения, мировой спрос на ветроэнергетические технологии продолжает расти.
… - Зажглась новая «рок-звезда» энергетики
На получение пятнадцатой по счету Международной энергетической премии «Глобальная энергия» претендовали 186 ученых из 31 страны мира.
… - «Умные сети», новые потребители и инвесторы – приоритеты «Россетей» в Новгородской области
Глава ПАО «Россети» Олег Бударгин и врио губернатора Новгородской области Андрей Никитин подписали соглашение о сотрудничестве в сфере развития энергетического комплекса региона.
…
Смотрите и читайте нас в
Команда NUS создает устройство, которое вырабатывает электричество из влаги воздуха
Исследователи из Национального университета Сингапура разработали новое устройство для выработки электроэнергии, работающее от влаги, состоящее из тонкого слоя ткани, морской соли, углеродных чернил и специального водопоглощающего геля.
По данным NUS, производство электроэнергии с использованием влаги (MEG) вызвало интерес из-за его потенциала в различных сферах, включая носимую электронику, электронные датчики кожи и устройства хранения информации.
Ключевые проблемы современных технологий MEG включают насыщение водой при воздействии влажности окружающей среды и неудовлетворительные электрические характеристики.
Чтобы преодолеть эти проблемы, исследовательская группа во главе с доцентом Тан Сви Чингом из Департамента материаловедения и инженерии разработала новое устройство MEG , содержащее две области с разными свойствами, чтобы постоянно поддерживать разницу в содержании воды в разных областях для выработки электроэнергии в течение сотен часов.
Выводы команды Колледжа дизайна и инженерии NUS (CDE) были опубликованы в Advanced Materials в мае 2022 года.
Устройство MEG состоит из тонкого слоя ткани (толщиной около 0,3 мм), покрытого углеродными наночастицами.
В своем исследовании команда использовала имеющуюся в продаже ткань из древесной массы и полиэстера.
Влажная часть ткани покрыта гигроскопичным ионным гидрогелем. Изготовленный из морской соли, водопоглощающий гель может поглощать в шесть раз больше своего первоначального веса и используется для сбора влаги из воздуха.
«Морская соль была выбрана в качестве водопоглощающего соединения из-за ее нетоксичных свойств и ее способности обеспечить устойчивый вариант для опреснительных установок по утилизации образовавшейся морской соли и рассола», — говорится в заявлении доцента Тана.
После того, как устройство MEG собрано, электричество вырабатывается, когда ионы морской соли отделяются, вода поглощается во влажной области. Катионы поглощаются углеродными наночастицами, вызывая изменения на поверхности ткани и создавая электрическое поле на ней. Эти изменения поверхности также дают ткани возможность накапливать электричество для последующего использования.
«После поглощения воды один кусок вырабатывающей энергию ткани размером 1,5 на 2 см может обеспечивать до 0,7 В электричества в течение более 150 часов в постоянных условиях», — сказал член исследовательской группы д-р Чжан Яоксин.
Используя уникальную конструкцию влажно-сухих областей, исследователи NUS смогли поддерживать высокое содержание воды во влажной области и низкое содержание воды в сухой области, что поддерживает электрическую мощность, даже когда влажная область насыщена водой. После нахождения на открытом воздухе во влажной среде в течение 30 дней вода все еще оставалась во влажной области, что свидетельствует об эффективности устройства в поддержании выходной мощности.
Запатентованное устройство МЭГ команды также продемонстрировало высокую гибкость и было способно выдерживать нагрузки от скручивания, прокатки и изгиба.
Команда NUS также продемонстрировала масштабируемость устройства при выработке электроэнергии для различных приложений. Они соединили вместе три куска генерирующей энергию ткани и поместили их в напечатанный на 3D-принтере корпус размером со стандартную батарейку типа АА. Напряжение собранного устройства было протестировано и достигло 1,96 В, что выше, чем у коммерческой батареи типа АА с напряжением около 1,5 В, что достаточно для питания небольших электронных устройств.
Группа заявила, что масштабируемость изобретения NUS, удобство получения коммерчески доступного сырья, а также низкая стоимость изготовления, составляющая около 0,15 долларов США за квадратный метр, делают устройство МЭГ подходящим для массового производства.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
Source:
The Engineer
Теги: ГидрогельИсточники энергииМатериалыЭлектропитание
Это новое устройство, кажется, извлекает электричество из воздуха
Междисциплинарная группа ученых из Массачусетского университета в Амхерсте использовала обычные бактерии, чтобы создавать удивительно сильные электрические токи — практически из воздуха.
«Влага на самом деле содержит определенное количество электрического заряда», — говорит автор исследования Джун Яо, профессор электротехники. Он и его коллеги полагались на этот факт, чтобы создать устройство, которое притягивает окружающие пары для производства электричества.
Они называют это «Air-gen».
Их результаты, опубликованные в пятницу в журнале Nature , могут представлять собой первые шаги к методу производства энергии, гораздо более экологически безопасному, чем традиционные батареи, более стабильному, чем энергия ветра, и более эффективному с точки зрения пространства, чем солнечные элементы. Но предстоит еще много работы, прежде чем мы туда доберемся.
Проект начался два года назад, когда аспирант электротехники Сяомэн Лю, работающий в лаборатории Яо, обнаружил, что прототип, над которым он работал, начал делать что-то неожиданное. Даже когда он не пропускал электрический ток в устройство, он мог обнаружить выходную мощность. «Сначала мы были очень озадачены, — говорит Яо.
Устройство было изготовлено из «нанопроволок» белка, продуцируемого бактерией Geobacter Sulfreducens . Его проводящие свойства были предметом многолетних исследований другой лаборатории Амхерста, лаборатории микробиолога Дерека Ловли, и проект был результатом сотрудничества двух групп.
После испытаний и времени они обнаружили, что это первоначальное открытие не было случайностью: все белковые нанопроволоки могли делать одно и то же, производя предсказуемое количество электричества в правильных условиях. Конфигурация, на которую они приземлились, представляла собой тонкую пленку нанопроволок, зажатую между двумя электродами. Верхний электрод подвергает часть пленки воздействию воздуха и его влаги.
Химические свойства нанопроволок привлекательны для влаги воздуха, говорит Яо. Разница в количестве воды в пленке — больше воды у поверхности и меньше воды глубже внутри — создает разницу в количестве электрического заряда в разных точках пленки.
Яо и его коллеги сообщают, что их крошечное устройство в настоящее время может производить 0,5 вольта электричества (каламбур). Они также подключили пять устройств, создав между ними 2,5 вольта. Хотя исследователи говорят, что устройство лучше всего работает при относительной влажности от 40 до 50 процентов (для идеального комфорта в вашем доме должно быть от 30 до 50 процентов), оно по-прежнему выдает обнаруживаемые напряжения в диапазоне от 20 до 100 процентов относительной влажности.
«Люди имеют долгую историю использования воды для производства электроэнергии», — пишет Яо в комментарии, опубликованном вместе с газетой. Вы можете думать об этом устройстве как о внуке плотины в том смысле, что оно опирается на основное свойство воды — ее способность перемещаться из одного места в другое — для производства энергии.
Подобно этой новой технологии, плотины получают электроэнергию из градиента воды. Жидкость движется из места многоводья (водоем) в место меньше воды (река). По пути он толкает турбины, которые производят электричество. В случае белковых нанопроволок электричество поступает не от турбины, а непосредственно от «градиента влажности». Это как если бы плотина могла вытягивать воду из воздуха, прежде чем протолкнуть ее через турбины. Электроды способны передавать это электричество.
Но остается много вопросов. Первый, с точки зрения Яо: можно ли масштабировать небольшой генератор, который они разработали, для производства значительного количества электроэнергии? Это означало бы изучение инженерных проблем, возникающих при объединении большого количества этих крошечных устройств, и поиск возможности создания значительного количества напряжения в более крупном устройстве.
Проведение этого исследования потребует большего финансирования, над получением которого команда работает.
Затем возникает вопрос о создании достаточного количества белковых нанопроволок. Бактерии, которые их производят, трудно выращивать в больших количествах и генетически манипулировать, сообщают Ловли и другие коллеги в статье, которая в настоящее время доступна в виде препринта, но проходит рецензирование. Сообщается, что они использовали легко культивируемые бактерии, E. coli , чтобы вместо этого вырастить белковые нанопроволоки, и сказать, что результаты были такими же проводящими, как и результаты, полученные с G. Sulfurereducenst .
Человечеству не составит труда найти применение электричеству, работающему по воздуху, но нам еще многое предстоит узнать, прежде чем мы сможем догадаться, насколько полезным на практике может быть Air-gen. И маловероятно, что какая-то одна технология когда-либо будет производить всю нашу энергию, как бы волшебно это ни звучало на бумаге.
Но за любыми исследованиями, которые могут дать новый возобновляемый источник энергии, стоит следить.
«Я думаю, что это очень интересная работа», — говорит Сюйдун Ван, инженер из Висконсинского университета в Мэдисоне, который работает с другими видами неорганических нанопроводов для сбора энергии. «Всегда интересно наблюдать за появлением новых материалов и новых концепций, обеспечивающих решения в области возобновляемых источников энергии».
Будет ли в будущем электричество производиться из воздуха?
Блоги
9 минут
04 апреля 2022 г.
возобновляемые источники энергии
Технологии становятся все более мобильными. Для электромобилей, автономных систем, роботов, носимых устройств и мобильных электронных устройств источник питания оказывается ограничивающим фактором. Это связано с тем, что объем, вес, ограниченная емкость и длительное время зарядки аккумуляторов ограничивают мобильность и гибкость.
Средством от этого может быть беспроводная передача энергии или, что еще более последовательно, генерация энергии непосредственно в мобильном устройстве.
Передача энергии через пустое пространство не нова. Солнце практикует эту процедуру уже более 4,5 миллиардов лет. Но потери гигантские; Большая часть энергии, излучаемой солнцем, теряется в космосе, и лишь малая часть достигает небесных тел, которые вращаются вокруг него, и только часть этой энергии в конечном итоге может быть использована. То же самое относится к земле, когда речь идет о беспроводной передаче энергии на расстояния более нескольких сантиметров: их эффективность (отношение полезной энергии к общему расходу энергии) значительно ниже 1 процента и быстро падает с расстоянием.
Одним из решений является объединение электромагнитной энергии. Вот почему Emrod , компания чистых технологий, основанная в Окленде, Новая Зеландия, в 2019 году, полагается на метод формирования луча, который преобразует электричество в параллельный электромагнитный луч, направляемый напрямую от одной антенны к другой.
Через год после своего основания компания Emrod представила доказательство концепции беспроводной передачи энергии с эффективностью формирования луча более 97 процентов. Основатель и генеральный директор Грег Кушнир объясняет ключевую инновацию: «Мы достигаем высокой эффективности с электромагнитными метаматериалами. С их помощью мы можем прочно связать электромагнитную энергию в передающей антенне. Мы убеждены, что благодаря дальнейшим улучшениям на стороне передачи, и особенно на приемной стороне (там, где в настоящее время происходят большие потери), мы сможем реализовать эффективность всей системы более чем на 80 процентов». Обычный КПД для передачи электроэнергии по высоковольтным линиям составляет 60-95 процентов, в зависимости от страны и с учетом убытков, например, из-за хищения электроэнергии. Метаматериалы, такие как композиты металла и пластика, обладают «неестественными» оптическими, электрическими и магнитными свойствами. Они содержат искусственные повторяющиеся структуры, которые необычным образом взаимодействуют с электромагнитными волнами при условии, что эти структуры меньше длины волны.
Например, метаматериал может направлять радарные лучи вокруг себя так, что остается невидимым для радаров.
В настоящее время проводятся полевые испытания
Кушнир объясняет: «Метаматериалы, которые мы разрабатываем и создаем, характеризуются такими умными свойствами, как точная форма, геометрия, размер, ориентация и расположение, что позволяет нам блокировать, ослаблять, усиливать или перенаправлять электромагнитную энергию». Emrod использует частоту 5,8 гигагерц для беспроводной передачи энергии. Эта частота, которая также используется радаром, направленным радио, WLAN и Bluetooth, в значительной степени не зависит от погодных условий. Технология формирования луча, разработанная Emrod направляет энергию в виде сильно связанного «стержня» от передающей антенны через ретрансляционные антенны к приемной антенне. Название компании также происходит от этой технологии: «Em» означает электромагнитный, «стержень» — стержень.
В сотрудничестве с новозеландским поставщиком электроэнергии Powerco компания Emrod разработала более крупный прототип для помещений и планирует создать беспроводную систему, которую можно будет использовать для дальнейшего расширения сети снабжения Powerco . Ожидается, что система поможет обеспечить электроэнергией удаленные районы и устранит необходимость прокладки дорогостоящего медного кабеля в районах со сложным рельефом. Кроме того, считается, что беспроводная система значительно снижает затраты на техническое обслуживание и снижает воздействие на окружающую среду. «Особенно для производства электроэнергии из возобновляемых источников беспроводная передача энергии предлагает себя в качестве ключевой технологии для передачи энергии потребителю устойчивым образом», — говорит Кушнир. Это связано с тем, что транспортировка по кабелю требует много места из-за подстанций и опор линий электропередач, а также многих материалов, таких как медь и сталь, а также значительного объема работ по техническому обслуживанию и ремонту.
Постоянные устройства Emrod можно использовать там, где обычные проводные соединения неэкономичны, сложны в установке или обслуживании.
На фото показана тележка с антенной, которую можно использовать, например, для беспроводного энергоснабжения в районах стихийных бедствий.
Беспроводная передача энергии на короткие расстояния уже стала частью нашей повседневной жизни. Беспроводная передача энергии на большие расстояния требует значительных технических усилий, таких как узкоспециализированная конструкция антенны Emrod , чтобы минимизировать потери. Однако, если передатчик и приемник находятся на расстоянии всего нескольких сантиметров друг от друга, транспортировку энергии по воздуху с малыми потерями реализовать проще, и это уже является современным уровнем техники. В простейшем случае передатчик и приемник представляют собой две катушки, обращенные друг к другу на небольшом расстоянии.
Установлен принцип индуктивной связи
Если через катушку передатчика проходит переменный ток, его переменное магнитное поле индуцирует переменное напряжение в катушке приемника.
Беспроводные зарядные станции для электрических зубных щеток и смартфонов уже работают по этому принципу индуктивной связи. Такие передовые системы, передающие электроэнергию по беспроводной сети с высокой эффективностью до двух метров, уже есть в продаже. Кроме того, широко используются пассивные транспондеры RFID (RFID = радиочастотная идентификация), которые не требуют внешнего источника питания или батареи. Крошечные транспондеры служат в качестве смарт-карт в системе контроля доступа, в качестве иммобилайзеров для автомобилей, в качестве имплантатов для идентификации животных, в качестве радиометок для маркировки товаров и многого другого. Лучи считывающего устройства не только передают информацию, но и энергию для работы транспондера. Рельсовые транспортные средства, такие как Transrapid , разработанный в Германии высокоскоростной монорельсовый поезд с использованием магнитной левитации, также оснащен беспроводной индуктивной связью. Эта технология, вероятно, станет особенно важной для электромобилей.
В будущем автомобильные аккумуляторы можно будет заряжать во время движения по зарядной полосе дороги, в которую встроены катушки или пластины, увеличивая запас хода батареи до тысяч километров. Однако для электромобилей и промышленных приложений задача гораздо сложнее, чем для RFID и небольших устройств. Аккумулятор смартфона можно быстро зарядить мощностью 5 Вт. Для электромобилей, автономных мобильных роботов, напольных конвейеров и другого промышленного оборудования требуется в 1000 раз больше беспроводной энергии. Такие системы все еще находятся в зачаточном состоянии. Тем не менее, команда из Университета Колорадо в Боулдере, США, недавно представила тестовую установку, которая передает 1 киловатт на расстояние 12 сантиметров.
Физик Джун Яо и микробиолог Дерек Ловли разработали воздушный генератор, который соединяет электроды с белковыми нанопроволоками таким образом, чтобы генерировать электрический ток из водяного пара, естественно присутствующего в атмосфере.
Команда использует емкостную, а не индуктивную связь, которая включает передачу энергии на основе высокочастотного электрического поля.
В будущем технико-экономические обоснования должны будут показать, можно ли оптимизировать этот принцип и применить его в промышленной практике. В конце концов, промышленным секторам нужны не только решения, минимизирующие потери энергии, но и стандартизированные конструкции и надежные компоненты, способные выдерживать суровые производственные условия, а также микроконтроллеры со встроенным интеллектом для оптимизации передачи энергии.
Все эксперты согласны с тем, что потенциал промышленного Интернета вещей (IIoT), объединения в сеть машин, складов, грузовых автомобилей, роботов и датчиков можно по-настоящему использовать только тогда, когда компоненты будут освобождены от кабелей. Это не только делает их более мобильными и гибкими в использовании, но и устраняет вилки и розетки и, следовательно, проблемы с контактами и утечки, а также делает их более надежными и требует меньше обслуживания. Однако возможно, что беспроводная передача энергии является лишь переходной технологией.
Ученые из Массачусетского университета в Амхерсте недавно представили Air-gen , генератор размером с ноготь, который производит электричество просто из воздуха, точнее, из влаги в воздухе. Команда, возглавляемая микробиологом Дереком Ловли и физиком Джун Яо, использует электропроводящие белковые нанопровода, производимые бактериями вида Geobacter. Air-gen состоит из пленки толщиной примерно 8 микрометров таких белковых нанопроволок (e-PN). Электронные сети образуют рыхлую сеть с наноканалами, по которым могут двигаться молекулы воды. Пленка нанесена на золотой электрод размером 5×5 мм. Вверху меньший золотой электрод (1 × 1 миллиметр) лишь частично покрывает пленку, позволяя ей поглощать воду из воздуха и направлять ее вниз по каналам. Поскольку воде труднее проникать в более глубокие слои, устанавливается постоянный градиент концентрации.
20 часов электроэнергии в настоящее время поставляет Airgen
Яо, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники, объясняет механизм производства электроэнергии: «Молекула воды, которая присоединяется к e-PN, испускает частичный электрический ток.
В результате градиента концентрации плотность заряда в верхних слоях пленки больше, чем в нижних, что создает напряжение между электродами и протекание тока». В течение 20 часов Прототип Air-gen обеспечивает непрерывный электрический ток для питания небольших электронных компонентов с напряжением 0,5 вольт. После этого мини-ячейка подзаряжается во влажном воздухе около 5 часов и повторяет цикл. Команда Amherst считает, что может значительно увеличить выходную мощность, моделируя свойства e-PN, и даже превзойти удельную мощность солнечных элементов, объединив множество Air-gens . Преимущества технологии Air-gen по сравнению с возобновляемыми источниками энергии, такими как ветер и солнечная энергия, заключаются в следующем: Air-gen работает днем и ночью; влажность присутствует везде, поэтому он будет работать даже в помещении и не зависит от погодных условий. Профессор Ловли, заведующий кафедрой микробиологии, считает: « Air-gen позволяет производить экологически чистую энергию, которая гораздо менее ограничена местоположением или условиями окружающей среды, чем другие устойчивые подходы».
В настоящее время исследователи работают над крошечными блоками Air-gen , которые могут питать носимые устройства, такие как мониторы здоровья и фитнеса и умные часы, а объединение нескольких блоков позже сделает смартфоны независимыми от батареи. «Наша долгосрочная цель, — говорит Яо, — состоит в том, чтобы иметь крупномасштабные коммерческие установки, которые вносят значительный вклад в устойчивое производство электроэнергии». Ловли добавляет: «Geobacter не подходит для технического массового производства е-PN. Поэтому мы генетически модифицировали Escherichia coli (E. coli), гораздо более устойчивый вид бактерий, для производства е-PN с высокой производительностью». Культуры E. coli можно выращивать в больших количествах с низкими затратами, используя глицерин, являющийся побочным продуктом производства биодизельного топлива. Это прокладывает путь к устойчивому массовому производству Генераторы Air-gen из возобновляемого сырья. Но потребуются годы опытно-конструкторских работ, прежде чем станет ясно, останется ли эта концепция нишевой технологией или сможет радикально изменить индустриальный и повседневный мир.