hydrovoltaikk

En metode for å oppnå den hydrovoltaiske effekten er å strømme vann gjennom nanokanaler: kanaler med en diameter på bare noen nanometer.

Strømmende vann tar med seg alt av ioner som er oppløst i vannet. Ioner bærer en ladning, og kan derfor brukes til å lage strøm når de beveger seg. Når vann kommer i kontakt med et materiale, vil materialet få en ladning på grunn av indre potensialforskjell mellom vannet og materialet.

Dette fører til dannelsen av et elektrisk dobbeltlag som vil skjerme løsningen fra denne overflateladningen. Dobbeltlaget bærer altså en netto ladning motsatt av overflateladningen, slik at området i vannet nærmest den ladede overflaten inneholder et flertall ioner av én type ladning.

Ved å lage en kanal som vannet kan strømme gjennom, og legge til et trykk fra den ene siden ved hjelp av en pumpe, kan man utnytte den endrede ladningsfordelingen som følge av det elektriske dobbeltlaget til å lage en strøm. Ved å koble to elektroder i hver sin ende av kanalen vil denne strømmen av ioner skape en strøm av elektroner i ledningen mellom elektrodene, som er en nyttbar elektrisk strøm. Dette er vist grafisk i den øverste figuren.

For å lage en størst mulig strøm må det være flest mulig ioner av samme ladning (positiv eller negativ) i kanalen. Den netto ladningen i kanalen kommer fra ionene i det elektriske dobbeltlaget, ettersom den totale ladningen i resten av vannet er null. Lages en kanal som er så liten at det elektriske dobbeltlaget fra hver side i kanalen overlapper, vil bare ionene fra det elektriske dobbeltlaget være i kanalen. Dette fører til en stor overvekt av én type ladning, og maksimering av strømmen som lages, som vist i figur nummer to.

Størrelsen på det elektriske dobbeltlaget er som regel noen nanometer, og kanalene må derfor ha en diameter på noen nanometer. Det er viktig å notere seg at jo mindre kanalen blir, jo større blir friksjonen mellom strømningen og veggen i kanalen. En økning i konsentrasjonen av ioner i løsningen vil også føre til at dobbeltlaget blir mindre, noe som fører til lavere strøm. Det er altså en viss tykkelse på kanalen som vil gi størst mulig strøm for enhver konsentrasjon av ioner. Den teoretiske maksimale effekten som kan utnyttes er 12 prosent av strømningene i vannet, mens rundt 3 prosent har blitt oppnådd eksperimentelt.

Å ha en pumpe som får vannet til å bevege seg krever energi, men bevegelser i vannet kan også skapes på naturlige måter. En metode er å ha stående kanaler, hvor vannet kan fordampe i toppen. Når vannet fordamper i en ende av kanalen vil det føre til en bevegelse av vannet i kanalen. Dette er fordi vannet som fordamper ikke inneholder ioner, ettersom ioner er tyngre enn vann og har høyere kokepunkt. Dette gjør at konsentrasjonen av ioner er større i enden av kanalen der vannet fordamper. Det oppstår derfor et osmotisk trykk som gjør at vannet beveger seg.

En elektrode er festet i bunnen, og er koblet til en annen elektrode i toppen av kanalene gjennom en elektrisk krets, som vist i figuren. Toppelektroden må være porøs, slik at vannet har mulighet til å fordampe. En dråpe vann kan fukte et område på noen kvadratcentimeter med nanokanaler, og gi flere minutter med stabil strømproduksjon.

Er bunnelektroden også porøs kan det tenkes at installasjoner i fremtiden kan ligge i overflaten av innsjøer eller på hav, slik at vann tas kontinuerlig inn fra bunnen og fordamper i toppen. Eksperimentell effekt ligger per 2023 vanligvis på rundt 0,1–0,2 W/m². Til sammenligning hadde de første solcellene en effekt på rundt 10 W/m² og kan i dag ha en effekt på 250 W/m².

Når en vanndråpe kommer i kontakt med en overflate, vil det lages et elektrisk dobbeltlag i grenseflaten der dråpen og overflatematerialet har kontakt. Når dråpen beveger seg langs denne overflaten vil ladninger forflytte seg på overflaten av materialet slik at de har kontakt med dråpen. Dermed kan vanndråper som renner ned en overflate brukes til å lage elektrisitet, som vist i figuren. Et eksempel er regndråper som renner ned et tak når det regner.

Grafén er et materiale som er veldig sensitivt til eksterne stimuli, og er derfor godt egnet til denne typen hydrovoltaikk. Det er best å bruke ett enkelt lag med grafén fordi flere lag med grafén oppå hverandre fører til en lavere spenning. Spenning og strøm er proporsjonal med hastighet på, og antall, dråper. I det en regndråpe treffer grafénoverflaten lages en spenning rundt ti ganger større enn når dråpen renner nedover overflaten, på grunn av den høye hastigheten dråpen spres med.

På samme måte som med regn kan bølgende vann skape en kontaktflate i bevegelse. Setter man grafén loddrett ned i vannet, vil det bølgende vannet stige og synke på overflaten av dette, og lage en ladningsbevegelse i grafénoverflaten. Spenning og strøm er proporsjonal med hastigheten bølgene går opp og ned på overflaten.

Spenningen og strømmen som blir laget både ved bølger og regn er sterkt påvirket av substratet grafénet er festet på. For eksempel er polyestertereftalat brukt som substrat i flere forsøk, men polytetrafluoretylen gir en effekt som er 100 ganger høyere. Dette er fordi det har mye høyere ladningstetthet på overflaten. Piezoelektriske materialer er et eksempel på substrater som kan gi høyere spenning i bruk til hydrovoltaikk. Når slike materialer utsettes for et trykk som gjør at de deformeres, lager de en spenning som følge av dette trykket. Når de brukes som substrat for hydrovoltaikk vil de dermed produsere en høyere spenning på grunn av trykket fra vannet mot overflaten av materialet.

• elektrisk dobbeltlag
• vann
• fornybar energi
• nanomaterialer
• grafén