Sự bay hơi là một quá trình tự nhiên phổ biến đến mức hầu hết chúng ta đều coi đó là điều hiển nhiên. Trên thực tế, khoảng một nửa năng lượng mặt trời đến Trái đất sẽ thúc đẩy quá trình bay hơi. Kể từ năm 2017, các nhà nghiên cứu đã nỗ lực khai thác tiềm năng năng lượng của sự bay hơi thông qua hiệu ứng thủy điện (HV), cho phép thu điện khi chất lỏng truyền qua bề mặt tích điện của thiết bị có kích thước nano.
Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét của các cột nano silicon Tarique Anwar, LNET EPFL, CC BY SA. Nhà cung cấp hình ảnh: Tarique Anwar, LNET EPFL, CC BY SA
Sự bay hơi thiết lập một dòng chảy liên tục trong các kênh nano bên trong các thiết bị này, hoạt động như cơ chế bơm thụ động. Hiệu ứng này còn được thấy ở các vi mao mạch của thực vật, nơi sự vận chuyển nước diễn ra nhờ sự kết hợp giữa áp suất mao dẫn và sự bay hơi tự nhiên.
Mặc dù các thiết bị thủy điện hiện đã tồn tại nhưng có rất ít hiểu biết mang tính chức năng về các điều kiện và hiện tượng vật lý chi phối việc sản xuất năng lượng HV ở cấp độ nano. Đó là một lỗ hổng thông tin mà Giulia Tagliabue, người đứng đầu Phòng thí nghiệm Khoa học nano về Công nghệ Năng lượng (LNET) tại Trường Kỹ thuật và Tiến sĩ. sinh viên Tarique Anwar muốn điền vào.
Họ tận dụng sự kết hợp giữa các thí nghiệm và mô hình đa vật lý để mô tả đặc điểm dòng chất lỏng, dòng ion và hiệu ứng tĩnh điện do tương tác rắn-lỏng, với mục tiêu tối ưu hóa các thiết bị HV.
"Nhờ nền tảng mới, được kiểm soát chặt chẽ của chúng tôi, đây là nghiên cứu đầu tiên định lượng các hiện tượng thủy điện này bằng cách nêu bật tầm quan trọng của các tương tác bề mặt khác nhau. Nhưng trong quá trình này, chúng tôi cũng đã đạt được một phát hiện quan trọng: các thiết bị thủy điện có thể hoạt động trên phạm vi rộng". độ mặn, mâu thuẫn với hiểu biết trước đây rằng cần phải có nước có độ tinh khiết cao để đạt hiệu suất tốt nhất", Tagliabue nói.
Nghiên cứu LNET gần đây đã được xuất bản trên tạp chí Device .
Một mô hình đa vật lý tiết lộ
Thiết bị của các nhà nghiên cứu đại diện cho ứng dụng thủy điện đầu tiên của một kỹ thuật gọi là quang khắc keo nano, cho phép họ tạo ra một mạng lưới hình lục giác gồm các cột nano silicon có khoảng cách chính xác. Khoảng trống giữa các trụ nano tạo ra các kênh hoàn hảo cho các mẫu chất lỏng bay hơi và có thể được tinh chỉnh để hiểu rõ hơn về tác động của việc giam giữ chất lỏng và vùng tiếp xúc rắn/lỏng.
Anwar giải thích: “Trong hầu hết các hệ thống chất lỏng chứa dung dịch muối, bạn có số lượng ion dương và âm bằng nhau. Tuy nhiên, khi bạn giới hạn chất lỏng trong kênh nano, chỉ những ion có cực đối nghịch với điện tích bề mặt sẽ tồn tại”. “Điều này có nghĩa là nếu bạn cho phép chất lỏng chảy qua kênh nano, bạn sẽ tạo ra dòng điện và điện áp.”
Tagliabue cho biết thêm: “Điều này quay trở lại với phát hiện chính của chúng tôi rằng trạng thái cân bằng hóa học đối với điện tích bề mặt của thiết bị nano có thể được khai thác để mở rộng hoạt động của các thiết bị thủy điện trên thang đo độ mặn”.
"Thật vậy, khi nồng độ ion chất lỏng tăng thì điện tích bề mặt của thiết bị nano cũng tăng. Kết quả là chúng ta có thể sử dụng các kênh chất lỏng lớn hơn trong khi làm việc với chất lỏng có nồng độ cao hơn. Điều này giúp dễ dàng chế tạo các thiết bị sử dụng với nước máy hoặc nước biển hơn. , trái ngược với chỉ nước tinh khiết."
Nước, nước ở khắp mọi nơi
Bởi vì sự bay hơi có thể xảy ra liên tục trong một phạm vi nhiệt độ và độ ẩm rộng—và thậm chí vào ban đêm—nên có nhiều ứng dụng tiềm năng thú vị cho các thiết bị HV hiệu quả hơn.
Các nhà nghiên cứu hy vọng khám phá tiềm năng này với sự hỗ trợ của Quỹ Khoa học Quốc gia Thụy Sĩ, nhằm mục đích phát triển "một mô hình hoàn toàn mới để thu hồi nhiệt thải và sản xuất năng lượng tái tạo ở quy mô lớn và nhỏ", bao gồm một mô-đun nguyên mẫu trong điều kiện thực tế. -điều kiện thế giới ở hồ Geneva.
Và vì về mặt lý thuyết, các thiết bị HV có thể hoạt động ở bất cứ nơi nào có chất lỏng—hoặc thậm chí hơi ẩm, như mồ hôi—chúng cũng có thể được sử dụng để cấp nguồn cho các cảm biến cho các thiết bị được kết nối, từ TV thông minh đến các thiết bị đeo theo dõi sức khỏe và thể dục. Với kiến thức chuyên môn của LNET về các hệ thống thu và lưu trữ năng lượng ánh sáng, Tagliabue cũng mong muốn xem các hiệu ứng ánh sáng và quang nhiệt có thể được sử dụng như thế nào để kiểm soát điện tích bề mặt và tốc độ bay hơi trong hệ thống HV.
Cuối cùng, các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy sự phối hợp quan trọng giữa hệ thống HV và sản xuất nước sạch.
"Sự bay hơi tự nhiên được sử dụng để thúc đẩy quá trình khử muối, vì nước ngọt có thể được thu hoạch từ nước mặn bằng cách ngưng tụ hơi do bề mặt bay hơi tạo ra. Bây giờ, bạn có thể tưởng tượng việc sử dụng hệ thống HV để sản xuất nước sạch và khai thác điện cùng một lúc, "Anwar giải thích.
