Электричество из соленой воды своими руками
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 19.09.2024
Издание Fast Company ежегодно проводит премию Innovation by Design, чтобы выделить самые интересные инновации в области дизайна. В 2021 году оно отметило 37 проектов. Рассказали в подборке о самых любопытных из них.
По данным ВОЗ, в 2010 году без электричества проживало около 1,2 млрд. К 2016-му их число сократилось до 840 млн, а к 2030 году уменьшится до 500 тысяч. Но это всё равно много, пишет Fast Company.
Вместе со стартапом по возобновляемым энергоисточникам E-Dina, компания WaterLight создала лампы, которые преобразуют в электричество солёную воду. По словам создателей, устройство работает не только как фонарь, но и зарядка для мобильного телефона.
В апреле 2021 года компания выслала 50 таких ламп в одну из самых бедных и отдалённых южноамериканских общин. Теперь местные дети могут делать уроки поздним вечером, а рыбаки ловить по ночам рыбу. В будущем основатели хотят масштабировать бизнес и ищут для разработок инвесторов на Kickstarter.
Расположенный в американском городе Остин Community First! Village — это пригородное соседство для людей, которые долгое время жили на улице. Чтобы получить жильё в комплексе, необходимо подать заявку. Весной 2021 года там появились шесть новых домов — их за 24 часа напечатала компания Icon на 3D-принтере.
Такие постройки стоят дешевле, но обеспечивают жильцов всем самым необходимым: помимо основных удобств, в домах есть вентиляторы, кондиционер, телевизор и даже веранда. Расходы на воду и электричество у одного из поселенцев ежемесячно составляют около $50.
Работает браслет от аккумулятора, который служит до двух лет, поэтому постоянно заряжать его не придётся.
Алгоритмы постоянно вызывают обсуждения и получают немало критики со стороны уязвимых социальных групп. Влияние алгоритмов на повседневную жизнь не до конца осознают взрослые, не говоря уже о детях. Помочь последним захотела дизайн-студия Artefact.
Компания Taur хочет, чтобы электросамокаты стали столь же желанными, как и мустанги, говорит её соучредитель Карсон Браун. Однако большая часть представленных на рынке продуктов похожи на детские самокаты: такие же нелепые, хлипкие и опасные, пишет Fast Company. Модель Taur, в свою очередь, оснащена:
- Мощными 12,5-дюймовыми колёсами, покрытыми синтетическим кевларом, — чтобы гарантировать плавное передвижение.
- Платформой в 2,5 раза шире традиционной — чтобы обе ноги можно было поставить рядом, для равновесия.
- Светодиодной подсветкой, которая кидает блик на спину водителя, — так его скорее заметят автомобилисты.
Корпус электросамоката выполнен из авиационного алюминия, который можно с лёгкостью переработать, когда самокат выйдет из строя.
Нидерланды — второй по величине экспортёр продовольствия в мире после США и лидер в области устойчивого сельского хозяйства, пишет издание. Страна уже оборудовала вертикальные фермы, а теперь использует светодиодные лампы, чтобы растения быстрее росли. Одну из таких световых систем разработала студия Roosegaarde: из красных, синих и ультрафиолетовых светодиодов.
Компания объясняет, что её световой проект Grow — это не только красивая инсталляция, но и результат научных исследований. Сочетания цветов она подбирает в зависимости от среды и выращиваемой культуры. В неправильных условиях растение может как вырасти ввысь, но остаться хрупким, так и наоборот, развить крепкий ствол, но не вытянуться. Светодиоды решают эту проблему.
Например, лук-порей особенно чувствителен к красному и синему светодиодному освещению. А ультрафиолет повышает устойчивость сельскохозяйственных культур: с ним они меньше нуждаются в пестицидах.
Сегодня слабовидящие и незрячие могут бегать только с собакой-поводырём или сопровождающим, однако Google хочет это изменить. Вместе с НКО Guiding Eyes for the Blind компания запустила проект Guideline — систему на основе машинного обучения, которая уже помогла одному незрячему пробежать 5 км без посторонней помощи.
Вот как это работает: пользователь надевает на голову остеофон, который передаёт звуковые вибрации в костные ткани челюсти, размещает на поясе телефон с камерой и начинает бег вдоль нарисованной на дороге линии. Камера следит за разметкой, а телефон анализирует, отклоняется ли от неё незрячий. Если да, то остеофон пошлёт предупредительный сигнал и будет увеличивать громкость, если бегун не поменяет траекторию.
Технологию протестировали в ноябре 2020 года и выяснили, что систему сбивают с толку посторонние объекты — например, листья с деревьев. Модель также не знает, как распознавать пешеходов, велосипедистов, камни и палки. Но Google намерена расширить учебные материалы для ИИ: добавить разные города, дороги, погодные условия, время суток.
Чтобы надеть обувь, нередко требуется сноровка, пишет Fast Company. Но сложнее всего приходится людям с ограниченными возможностями — с заболеваниями вроде артрита или параличом. Компания Nike создала первые кроссовки, надеть которые можно без рук и не наклоняясь.
Исследователи из Стэнфордского университета (США) разработали технологию, позволяющую более эффективно применять энергию, рождающуюся при смешивании соленой и пресной воды. Таким образом, они предоставили нам еще один колоссальный по объему и возможностям источник возобновляемой энергии, который может быть полезен, например, для энергоснабжения очистных сооружений, ежедневно сбрасывающих миллионы кубометров пресной воды в соленые воды океана, а в перспективе поможет использовать для генерации электроэнергии воду из впадающих в моря рек. Статья подготовлена на основе перевода ряда материалов из зарубежных научных и научно-популярных изданий.
История вопроса
Взаимодействие пресной и соленой воды может дать нам, по сути, неограниченную, бесплатную и чистую энергию. В основе выработки такой энергии лежит так называемый градиент солености, возникающий при смешивании двух видов воды.
До недавнего времени для использования градиента солености с целью получения чистой, не загрязняющей среду нашего обитания и не приводящей к выбросам парниковых газов энергии в основном рассматривались две технологии — осмос и обратный электродиализ. Однако проблема в том, что обе эти технологии основаны на контакте пресной и соленой воды через специальные мембраны. Теперь, благодаря ученым из Стэнфордского университета, появились и новые технологии.
Осмос
Явление осмоса известно человечеству с давних времен, хотя впервые оно было описано аббатом и физиком Жан-Антуаном Нолле (Jean Antoine Nollet) только в 1748 г. Научное определение было дано Анри Луи Ле Шателье (Henri Louis Le Chatelier) в 1884 г. Осмос — это процесс односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану молекул растворителя в сторону большей концентрации растворенного вещества из объема с меньшей концентрацией растворенного вещества. Таким образом создается осмотическое давление, пропорциональное разности концентраций растворенного вещества и температуры. Прототип первой и единственной в мире осмотической электростанции с эффективным подъемом воды 120 м был построен и запущен компанией Statkraft в Норвегии в 2009 г.
Рис. 1. Принцип работы осмотической электростанции
Принцип работы осмотической электростанции представлен на рис. 1, а ее реализация компанией Statkraft — на рис. 2 [4]. Электростанция включает две камеры, разделенные искусственной мембраной, для накопления пресной воды из фьорда и обеспечения ее контакта с морской соленой водой. Давление, создаваемое передачей воды через мембрану в одном направлении, используется для выработки электроэнергии. Давление в камере с морской водой постепенно увеличивается, поскольку соль в морской воде забирает пресную воду через мембрану.
Рис. 2. Осмотическая электростанция компании Statkraft
Для подачи соленой и пресной воды в электростанцию используются сотни метров труб. Сила осмоса такова, что генерируемое им давление равно давлению водяного столба длиной 120 м (в теории осмотическое давление может быть эквивалентно водяному столбу высотой 270 м) и может применяться в приводной турбине для выработки электроэнергии. При этом осмотическая электростанция не выбрасывает загрязняющих веществ в атмосферу и не влияет на морское дно или речную среду обитания.
Обратный электродиализ
Прямой электродиализ уже довольно успешно используется в опреснительных установках. Сам по себе электродиализ — это процесс мембранного разделения, в котором ионы растворенного вещества переносятся через мембрану под действием электрического поля. Движущей силой процесса служит градиент электрического потенциала.
Для обратного электродиализа необходимо наличие двух типов селективных (избирательных) мембран: мембраны, которые прозрачны только для положительных ионов соли (ионы натрия), и мембраны, беспрепятственно пропускающие исключительно отрицательные ионы — в нашем случае это ионы хлора (рис. 3) [5].
Рис. 3. Принцип получения электроэнергии в процессе обратного электродиализа
Под воздействием энтропии (стремления выравнять концентрации соли в обоих потоках) рассол терял ионы Na + через одну мембрану и ионы Cl – — через вторую, и они попадали в потоки воды из скважины. Это создавало разность потенциалов, которая, в свою очередь, использовалась для генерации электрического тока.
Система в Трапани (построенная в рамках проекта REAPower, финансируемого ЕС) вырабатывала 3– 4 Вт полезной мощности на каждый квадратный метр мембранных пар, уложенных в коробки (фактическая выходная мощность была выше, но часть этой электроэнергии была необходима для прокачки двух потоков воды через камеры). Можно было бы получить больше электроэнергии, если бы мембраны были расположены ближе друг к другу. Но уменьшение зазора между мембранами увеличивает потребность давления для прокачки. Кроме того, оно также повышает риск засоров.
Тем не менее работы в этом направлении продолжаются — установка с аналогичной технологией используется на одной из дамб в Нидерландах. В данном случае секции с соленой водой создают направленное движение ионов соли из секции в секцию. Благодаря зарядовому разделению на мембранах возникает разность потенциалов, которая затем суммируется и превращается на катоде и аноде из ионного тока в обычный электрический ток посредством окислительно-восстановительных реакций. Снимаемое напряжение зависит от числа мембран, температуры, отношения концентраций соли в пресной и соленой воде, а также от внутреннего сопротивления катода и анода. Заметим, что кинетика ионов поваренной соли возникает из-за разности концентраций соли в соседних секциях, поэтому наличие пресной воды в процессе обратного электродиализа необходимо.
Решение вопроса предложили специалисты из Ратгерского университета (Rutgers University, США), которые использовали идеи французских коллег и направили свои усилия на то, чтобы создать доработанную мембрану. Ученые смешали положительно и отрицательно заряженные вещества, чтобы создать покрытие, которое они могли бы избирательно активировать так, чтобы заставить все нанотрубки стоять в вертикальном положении. В результате был разработан материал, пропускающий большие молекулы, которые уже не могли застрять в нанотрубках, а также был добавлен ряд технологических ноу-хау [3]. Однако остается еще одна загвоздка. Даже в таком специализированном и очень интенсивном процессе только 2% нанотрубок проводили ток так, как предполагалось в исследовании. Конечно, это уже лучше, чем 0%, и мощность электроэнергии, которую смогла получить команда из Ратгера, в 8000 раз превышала результат 2013 г., однако до широкой практической реализации этой технологии еще далеко.
Емкостная технология
Более простой с точки зрения получения энергии и, следовательно, более перспективной является идея итальянского физика Дориано Броджоли (Doriano Brogioli) [2]: в основе его технологии производства энергии лежит конденсатор очень большой емкости (рис. 4).
Рис. 4. Схематический рисунок устройства Дориано Броджоли
В рамках данной разработки камера содержит два электрода из пористого активированного угля, образующие конденсатор огромной емкости — двухслойный электролитический конденсатор, известный у нас как ионистор, который может быть легко заряжен или разряжен. Камера заполняется соленой водой (раствором NaCl), идущей с одного из резервуаров.
Однако получение энергии предлагаемым методом требует сложного цикла заряда/разряда и наполнения камеры конденсатора поочередно соленой и пресной водой. Тем не менее во время эксперимента установка Броджоли генерировала 5 мкДж за цикл. Это довольно малая величина, но, как считает автор технологии, если использовать конденсаторы, емкость которых составляет 300 Ф на 1 г вещества, то выход энергии может достигать приблизительно 1,6 кДж на литр пресной воды, что уже сопоставимо с получением энергии путем осмоса или обратного электродиализа [2].
Несмотря на то, что в этом методе не используется мембрана, он тоже не лишен недостатков, ключевые из которых — наличие сложного цикла, уязвимость электродов и малый выход полезной энергии. Кардинально и, главное, эффективно продвинуться в совершенствовании этой технологии удалось исследователям из частного исследовательского Стэнфордского университета (Leland Stanford Junior University, США).
Предложение Стэнфордского университета
Дубравски работает в лаборатории соавтора исследования Крейга Криддла (Craig Criddle), профессора гражданского и экологического инжиниринга, известного своими междисциплинарными проектами в области новых энергоэффективных технологий. А сама идея разработки батареи, которая использует градиенты солености, возникла у других соавторов — Йи Цуй (Yi Cui), профессора материаловедения и инженерии, и Мауро Паста (Mauro Pasta), доктора наук в области материаловедения и инженерии. Общий принцип работы батареи энтропийного смешивания показан на рис. 5 [6].
Рис. 5. Принцип работы градиентной батареи Стэнфордского университета
Батарея содержит два электрода. Для повышения эффективности аккумулятора положительный электрод был изначально выполнен из наноразмерных электродов из диоксида марганца, а отрицательный электрод — из серебра. Конструкция наноэлектродов обеспечивает примерно в 100 раз большую площадь поверхности для взаимодействия с ионами натрия по сравнению с другими материалами и позволяет ионам легче входить в электрод и выходить из него. Команда Стэнфорда достигла 74%-ной
эффективности преобразования потенциальной энергии батареи в электричество. В свою очередь, Цуй считает, что при дальнейшем развитии аккумулятор сможет достичь 85% эффективности.
Лабораторные испытания показали, что выходная мощность на площадь электрода все еще остается низкой, однако потенциальные возможности для увеличения емкости аккумулятора в данном случае считаются более реальными, чем в технологиях, рассмотренных выше. Это является следствием относительно малой занимаемой площади, простоты, постоянства генерации энергии и отсутствия мембран или оборудования для контроля заряда и управления напряжением. Для повышения стойкости новые электроды изготавливаются из материала, известного как берлинская лазурь (синий пигмент, смесь гексацианоферратов (II) от KFe[Fe(CN)6] до Fe4[Fe(CN)6]3) и используемого в качестве пигмента и лекарственного средства, его стоимость составляет менее $1 за килограмм, и полипиррола (органического полимера, образованного в результате полимеризации пиррола; твердое вещество с формулой HnH, при окислении превращается в проводящий полимер), применяемого экспериментально в батареях и других устройствах и стоящего менее $3 за килограмм. Использование таких электродов позволяет не только повысить их устойчивость, но и значительно удешевить технологию.
Рис. 6.
а) Схема батареи энтропийного смешивания и четырехступенчатый цикл восстановления энергии;
б) цикл рекуперации энергии батареей энтропийного смешивания, снабженной катионным электродом из берлинской лазури и анионным электродом из полипиррола, промытыми морской и пресной водой
Проще говоря, сначала процесс высвобождает ионы натрия и хлора из электродов батареи в раствор, порождая электрический ток, который протекает от одного электрода к другому (рис. 6б). Затем быстрый обмен пресных сточных вод с морской водой приводит к тому, что электрод реинкорпорирует ионы натрия и хлора и реверсирует ток. Энергия восстанавливается
как во время притока пресной, так и морской воды, причем весь процесс происходит без предварительных затрат энергии и без необходимости зарядки этой своеобразной аккумуляторной батареи. Батарея постоянно разряжается и перезаряжается, не требуя каких-либо затрат энергии, поступающей извне. Поскольку в соленой воде содержится в 60–100 раз больше ионов, чем в пресной, электрический потенциал увеличивается и батарея может разряжаться при более высоком напряжении, обеспечивая больше электричества (подробно результаты исследований приведены в [6]).
Кроме того, что весьма немаловажно, при использовании такой технологии нет необходимости в резервных аккумуляторных батареях, так как материалы являются относительно прочными, покрытие из поливинилового спирта и сульфосукциновой кислоты защищает электроды от коррозии и эта система получения электроэнергии не содержит движущихся частей.
Потенциально данная технология может работать в любом месте, где смешиваются пресная и соленая вода. Однако особенно выиграть от этой технологии могут очистные сооружения, которые дают очищенную и не несущую механические частички мусора воду, а их остановка из-за перебоев в поставках электроэнергии может иметь весьма печальные последствия. Применение этой концепции именно к береговым очистным сооружениям было идеей Криддла как следствие его многолетнего опыта разработки технологий очистки сточных вод.
Очистка сточных вод — весьма энергоемкий процесс, но важный для защиты окружающей среды и обеспечения здоровья населения. При этом он остается уязвимым к отключению от электросетей. Энергетическая независимость очистных сооружений не только сократит потребление электроэнергии и выбросы парниковых газов, но и сделает их невосприимчивыми к отключениям электроэнергии. Очистные сооружения, как известно, должны работать круглосуточно, и их отключение из-за нехватки электроэнергии может иметь весьма неприятные последствия, такие как выброс неочищенных отходов в систему водоснабжения или в окружающую среду.
Исследователи протестировали прототип батареи, следя за выработкой энергии и одновременно промывая ее чередующимися почасовыми обменами сточных вод с регионального завода по контролю качества воды в Пало-Альто и морской водой, собранной неподалеку от Халф Мун Бэй (прибрежный город, расположенный примерно в 25 милях к югу от Сан-Франциско). За 180 циклов аккумуляторные материалы сохранили 97% эффективности в захвате энергии градиента солености (рис. 7).
Рис. 7. Установка регенерации воды Hyperion в бухте Санта-Моника в Лос-Анджелесе является примером установки по очистке прибрежных сточных вод, которая может потенциально восстанавливать энергию при смешивании морской и очищенных сточных вод.
Изображение предоставлено Doc Searls / Flickr
Чтобы оценить полный потенциал такой своеобразной аккумуляторной батареи применительно к городским очистным сооружениям, исследователи из университета Стэнфорда планируют создать ее уменьшенную версию, которая позволит увидеть, как такая система работает с несколькими батареями одновременно.
Заключение
Многие из вас наверняка знают, что такое электрическая энергия и как тяжело и дорого её добывать. Сейчас в мире настоящий бум на разнообразные чистые, возобновляемые источники энергии. Ветроэнергетика, энергия приливов, энергия солнца, уже очень широко используются и об этих источниках, пожалуй, всё известно. В данной статье мы хотели бы рассказать о, так сказать, малоизвестных из альтернативных источников энергии. Широкое применение которых возможно в самом ближайшем будущем.
1. Получение электроэнергии из соленой воды
Для получения электроэнергии напрямую из солёной воды используется такое явление как осмос. Суть процесса состоит в том, что солёную морскую воду смешивают с пресной. При этом энтропия жидкости увеличивается и в результате извлекается энергия. После чего эта энергия направляется на вращение турбины генератора, который уже, в свою очередь, и вырабатывает электрическую энергию.
О перспективах этого метода говорить я думаю излишне. Запасы что морской что пресной воды на Земле практически неисчерпаемы. И уже построена первая электростанция использующая этот принцип. Создана она компанией Statkraft в Норвегии. Так что лиха беда начала.
2. Электростанции на топливных элементах
Получение электроэнергии при помощи топливных элементов известен, довольно, хорошо. Но он в основном используется исключительно в автомобилестроении. Но, видимо, пришло время и для промышленного производства электроэнергии этим способом. Сейчас уже разработаны демонстрационные электростанции на топливных элементах с твердооксидным электролитом мощностью до 500 кВт. В качестве основного рабочего тела в таких электростанциях сегодня используется водород. Пропуская его через топливный элемент вырабатывается электрическая энергия.
Водородная электростанция
Основным достоинством способа является то что её КПД на много выше чем если бы водород просто сжигали. Кроме этого отсутствует всяческое загрязнение окружающей среды. Недостатком метода является то что на производство водорода нужна так же затратить энергию.
3. Пьезоэлектрические генераторы
Многие наверное видели детские мультфильмы в которых огромное число белок крутят колёса и этим вырабатывают энергию. Именно это и положено в принцип действия пьезогенераторов. Пешеходные дорожки, турникеты на железнодорожных вокзалах, специальные танцполы со встроенными в них пьезоэлектрическими генераторами. В конце концов специальные тренажерные залы. Всё это может стать источником электрической энергии.
4. Наногенераторы
То же очень перспективный источник электроэнергии. Наногенераторы преобразуют в электрическую энергию микроколебания в человеческом теле. Устройству достаточно малейших вибраций, чтобы вырабатывать эклектический ток. Уже сейчас существуют проекты, которые в самое ближайшее время будут реализованы по зарядке при помощи наногенераторов разнообразных мобильных гаджетов. Наногенераторы будут встроены прямо в них. И вам для зарядки своей мобилки будет достаточно просто положить её в карман и немного с ней пройтись.
Пользу, а иногда и необходимость электричества недооценить сложно. Особенно в чрезвычайных условиях. Вам может понадобиться подзарядить рацию, фонарик или мобильный телефон. В данной статье мы расскажем о способах альтернативного получения электроэнергии из подручных материалов.
Деревья
Для практически любого простейшего способа получения электричества без подключения к уже имеющейся электрической сети, обязательно понадобятся гальванические элементы, а именно два металла, которые в паре образуют разнополярные анод и катод соответственно. Теперь остается воткнуть в ближайшее дерево один из них, например алюминиевый стержень или железный гвоздь так, чтобы он полностью вошел через кору в сам ствол дерева, а другой элемент, например медную трубку, воткнуть в почву рядом, чтобы она вошла в землю на 15-20 см. Возможно даже между медной трубкой и алюминиевым стержнем возникнет напряжение в приблизительно 1 Вольт. Чем больше стержней вы вставите в дерево, тем лучше будет качество электроэнергии, добываемой таким способом. После окончания добычи электричества обязательно наведите порядок, замажьте поврежденные места на дереве смолой.
Фрукты
Апельсины, лимоны и другие цитрусовые, — все это идеальный электролит для выработки электричества в экстремальных условиях, особенно если экстремальная ситуация застала вас недалеко от экватора. Помимо уже известных алюминия и меди, можно использовать более эффективные золото и серебро если на вас или вашей спутнице остались украшения, доведя напряжение вашего электричества аж до 2 Вольт. Если вы занимаетесь получением электроэнергии с целью освещения, то в качестве лампочки может служить стеклянная колба с кусочком обугленного бамбукового волокна в качестве нити накаливания. Эту кустарную нить накаливания использовал для первой лампочки в мире сам Эдиссон.
Картофель
Из клубней обычной картошки, тоже можно получить электричество , все что вам понадобится, это соль, зубная паста, провода и картофелина. Разрежьте её пополам ножом, через одну половинку проведите провода, в то время как в другой сделайте по центру углубление в форме ложки, после чего наполните её зубной пастой, смешанной с солью. Соедините половинки картошки, причем провода должны контачить с зубной пастой, а их самих лучше зачистить. Все! Теперь вы можете при помощи вашего генератора электричества, зажигать костры от электрической искры.
Изготовление аккумулятора
Читайте также: