To nie jest żart, tylko praktyczny sposób wykorzystania energii mechanicznej spływającej wody i konwersji na energię elektryczną. Badacze z Seoul National University oraz Korea Electronics Technology Institute (KETI) mieszczących się w Korei Południowej wykorzystali m.in. właściwości materiałów dielektrycznych do stworzenia specjalnego przetwornika, który potencjalnie może przetwarzać energię mechaniczną wody spływającej w muszli klozetowej na energię potrzebną do zasilania domowych urządzeń. Co ważne, miniaturowa “elektrownia wodna” może zostać zaadaptowana do warunków padającego deszczu, fal oceanicznych, prądów rzecznych, a nawet pojedynczych kropel wody.
Według szacunków, standardowa rodzina żyjąca w gospodarstwie domowym opróżnia swoją toaletę około 5000 razy rocznie. Może liczba ta nie wygląda zbyt imponująco, ale pojedyncze spłukanie to zdarzenie, które pochłania największą ilość wody w porównaniu do innych czynności z użyciem wody. Statystyki wskazują na to, że około 30% zużycia całej wody w domach bądź mieszkaniach powstaje na skutek opróżniania klozetu.
Opracowanie innowacyjnych metod pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych jest kluczowym elementem budowy stabilnej gospodarki energetycznej w przyszłości. Energia słoneczna, energia wiatrowa, czy też ruchy oceanów i rzek są często tematami rozmów podczas projektowania urządzeń do wytwarzania energii odnawialnej na dużą skalę. Okazuje się jednak, że temat ten jest dużo szerszy, gdyż wiele instrumentów i mechanizmów, wykorzystywanych przez nas na co dzień generuje niespożytkowaną energię, która może być wykorzystana do zasilania choćby oświetlenia i gadżetów elektronicznych. Nad niezwykle popularnym ostatnio zagadnieniem, dotyczącym nieskomplikowanego wytwarzania odnawialnej energii elektrycznej pracowali przez kilka miesięcy koreańscy naukowcy. Owocem ich eksperymentów jest prototyp urządzenia – dowód działania koncepcji przetwornika zmieniającego energię mechanicznej pochodzącą z ruchu wody w energię elektryczną.
Istnieje kilka skutecznych sposobów konwersji energii mechaniczną w prąd elektryczny. Znane są elektromagnetyczne przetworniki indukcyjne, piezoelektryki oraz czujniki pojemnościowe. Obecnie na rynku pozyskiwania energii elektrycznej z ruchu mechanicznego dominują przetworniki indukcyjne zdefiniowane przez prawo Faradaya. Natomiast urządzenia na bazie materiałów piezoelektrycznych są wschodzącą, obiecującą technologią dla przenośnych gadżetów z własnym zasilaniem, wymagającą jednak znacznego udoskonalenia. Póki co, piezoelektryki czerpiące naturalnych ruchów ciała zbudowane są często z toksycznych substratów (m.in. ołowiu), a źródła pozyskiwania energii są ograniczone do sztucznej, przerywanej stymulacji, takiej jak zginanie lub wibracje.
Naukowcy z Korei zaproponowali rozwiązanie w postaci aktywnego przetwornika pojemnościowego do generowania energii elektrycznej z naturalnych ruchów wody bez jakichkolwiek dodatkowych, zewnętrznych źródeł napięcia. Klasyczny pojemnościowy przetwornik potrzebuje zewnętrznego źródła napięcia do gromadzenia ładunków na elektrodach. Urządzenie skonstruowane przez badaczy składało się z czterech elementów – szklanego podłoża, elektrody ITO (z ang. Indium Tin Oxide – roztwór stały tlenku indu(III) i tlenku cyny(IV)), warstwy dielektrycznej (poli-4-winylofenol) oraz powłoki hydrofobowej. Wykorzystywało ono zjawisko tzw. podwójnej warstwy elektrycznej. Na powierzchni ciała zanurzonego w wodzie powstawała zaadsorbowana warstwa jonów, ściśle przylegająca do powierzchni (ładunek powierzchniowy). Dalej od powierzchni znajdowała się warstwa dyfuzyjna jonów o ładunku przeciwnym do ładunku powierzchniowego. Nierównomierne rozmieszczenie ładunku powodowało różnicę potencjału elektrycznego na granicy międzyfazowej, co prowadziło do powstawania ładunku elektrycznego na elektrodzie.
Zespół wykazał, że w takim układzie ruch 30 mikrolitrów kropli wody wygenerował wystarczająco dużo energii by zasilić zieloną diodę LED (napięcie szczytowe około 3,1 V, natężenie szczytowe około 5,3 uA).
Naukowcy są przekonani, że dzięki ich koncepcji powstaną nowe technologie do przechwytywania energii mechanicznej z otoczenia. Mają nadzieję, że znajdzie ona zastosowanie w codziennym życiu, gdyż istnieje realna możliwość wykorzystania materiałów jako przezroczystych powłok na oknach, dachach a nawet w muszlach klozetowych do produkcji energii elektrycznej z ruchu kropli deszczu i przepływu wody.
Źródło:
[1] The Effective Energy Harvesting Method from Natural Water Motion Active Transducer (WMAT). Youn Sang Kim, Junwoo Park, YoungJun Yang, Eungkyu Lee, Soon-Hyung Kwon, Won Keun Kim, Cheouljong han, Jeongno Lee and Siyun Park. Energy Environ. Sci., 2014, DOI: 10.1039/C4EE00588K
[2] http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/ee/c4ee00588k#!divAbstract [30.04.2014]
[3] http://www.rsc.org/suppdata/ee/c4/c4ee00588k/c4ee00588k4.pdf [30.04.2014]
[4] http://gizmodo.com/scientists-figured-out-a-way-to-help-power-homes-with-t-1564666194 [30.04.2014]
[5] Crystal Water by cwpatterson11, flickr.com, CC BY 2.0