Энергия из воздуха: австралийские ученые создали 3D-устройство, превращающее влажность в электричество

Долгое время накопление пота или наличие пара в окружающей среде считалось непреодолимым препятствием для получения статического электричества. В сухом воздухе любой заряженный объект удерживает энергию минутами, но высокая влажность обычно «крадет» заряд за считанные секунды, создавая на поверхности тонкую проводящую пленку, через которую ток просто утекает.

Это физическое явление делало работу традиционных трибоэлектрических наногенераторов (TENG), преобразующих движение в ток, крайне неэффективной во влажной среде. Однако международная группа исследователей из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Австралии смогла полностью изменить представление об этом физическом ограничении.

Ученые разработали особую светочувствительную смолу для 3D-печати. Созданное из нее устройство не просто устойчиво к влаге, взвешенной в воздухе, — оно работает эффективнее именно при ее наличии.

Секрет технологии: молекулярный дизайн против законов физики

Успех нового 3D-печатного устройства кроется в его химической структуре на молекулярном уровне. Вместо того чтобы пытаться изолировать генератор от воды, исследователи пошли противоположным путем: они создали полимерную сеть, «жадную» до влаги, которая использует поглощенную воду для усиления выработки энергии.

В состав материала включили акриловые мономеры, способные захватывать молекулы воды с помощью водородных связей. Формулу усилили добавлением 5% сульфобетаин-метакрилата (SBMA) — вещества, молекулы которого одновременно несут и положительный, и отрицательный заряды.

Такая архитектура буквально «запирает» воду в плотных структурированных слоях. Это не дает жидкости растекаться и рассеивать заряд. Напротив, вода фиксируется в определенных позициях, что значительно увеличивает поляризацию системы.

При достижении относительной влажности 90% устройство способно генерировать ток силой 45,6 микроампер и напряжением 802 вольта. Мощность достигает 48,4 Вт на квадратный метр, что вдвое превышает показатели любых предыдущих гибких устройств, предназначенных для работы в экстремально влажных условиях.

От «умных» стелек до безбатарейных медицинских имплантатов

Высокое разрешение печати (до 80 микрометров) позволяет создавать из этой смолы сложнейшие структуры. Исследователи уже протестировали несколько прототипов:

• Сложные трехмерные решетки для сбора энергии;
• Интеллектуальные стельки, способные по характеру вырабатываемых импульсов определять, идет человек или бежит;
• Гибкий напальчник для передачи сигналов азбукой Морзе легкими касаниями.

Наиболее впечатляющим экспериментом стала проверка возможности питания медицинских имплантатов без использования батареек. Ученые подключили наногенератор к системе беспроводной связи и успешно передали сигнал через слой свиной кожи, имитирующей человеческие ткани.

Несмотря на то что кожа ослабляла сигнал, приемное устройство смогло получить достаточно энергии для работы. Это подтверждает реальную возможность создания кардиостимуляторов и других медицинских датчиков, которые будут подзаряжаться исключительно за счет движений пациента и естественной влажности его тела.