Reflective, water-permeable diatomite masks doubling output voltage of water- floating single-walled carbon nanotube thermoelectric generators

Stel je een apparaat voor dat elektriciteit kan opwekken zonder in een stopcontact te worden gestoken of naast een vuur te staan. Het heeft geen warmtebron aan de ene kant en een koude sink aan de andere kant nodig, zoals de meeste generatoren dat wel doen. In plaats daarvan creëert het zijn eigen temperatuurverschil door middel van water en zonlicht. Dit is het domein van thermo-elektrische generatoren die op water drijven. Ze werken volgens een eenvoudig principe: wanneer water verdampt van een nat oppervlak, neemt het warmte mee, waardoor dat oppervlak koeler wordt dan de omringende lucht. Als een materiaal zonlicht kan absorberen om warm te blijven terwijl het tegelijkertijd water verdamp om koel te blijven, ontstaat er een temperatuurverschil over het oppervlak. Dat gat kan direct worden omgezet in elektriciteit. Jarenlang hebben wetenschappers geprobeerd deze drijvende apparaten krachtiger te maken, maar ze liepen tegen een hardnekkig probleem aan. Hetzelfde zonlicht dat het apparaat verwarmt, warmt ook de delen op die juist koel zouden moeten blijven, waardoor het temperatuurverschil waar het apparaat op vertrouwt, effectief wordt tenietgedaan.

Een team onderzoekers aan de Tokai Universiteit in Japan heeft een manier gevonden om dit probleem op te lossen door de koelzijde van het apparaat te behandelen met een speciaal masker. Ze ontdekten dat door het koeloppervlak te bedekken met een materiaal dat zonlicht reflecteert maar nog steeds water doorlaat, ze de elektriciteit die het apparaat produceert, konden verdubbelen. De sleutel tot hun succes was een materiaal genaamd diatomiet, een natuurlijk poeder gemaakt van de gefossiliseerde schelpen van microscopisch kleine algen. Dit materiaal is van nature poreus en wit. Toen de onderzoekers een laag hiervan op de koelzijde van hun drijvende generator aanbrachten, fungeerde het als een spiegel die de warmte van de zon wegkaatste, terwijl de minuscule gaatjes ervoor zorgden dat water kon passeren en verdampen. Het resultaat was een apparaat dat aan één zijde aanzienlijk koeler bleef, wat een veel groter temperatuurverschil en daarmee een veel sterker elektrisch signaal creëerde.

Het apparaat zelf is gebouwd uit een dunne, vrijstaande film van enkelwandige koolstofnanobuisjes, wat ongelooflijk kleine, buisvormige vormen van koolstof zijn. Deze film is licht, flexibel en sterk genoeg om te drijven. Het wordt geplaatst op een plastic plaat met rechthoekige gaten erin, waardoor water door capillaire werking omhoog in de film kan stijgen, net zoals water in een vel keukenrol trekt. Wanneer het water het oppervlak van de film bereikt, verdampt het, waardoor dit specifieke gebied afkoelt. De rest van de film, die aan de zon wordt blootgesteld maar niet in contact staat met het water, blijft warm. Dit temperatuurverschil over de film genereert een spanning. In eerdere versies van dit apparaat absorbeerde het gehele oppervlak, inclusief het koelgedeelte, zonlicht, waardoor het koelgedeelte werd opgewarmd en het temperatuurverschil werd verzwakt. De onderzoekers realiseerden zich dat om meer vermogen te krijgen, ze de zon moesten stoppen met het verwarmen van de koelzone zonder de waterverdamping te stoppen.

Om dit idee te testen, bouwde het team vier verschillende versies van de drijvende generator. Het eerste was een controledevice zonder enkel masker. Het tweede was bedekt met een massief wit masker van acrylhars, dat zonlicht goed reflecteerde maar water blokkeerde. Het derde was een masker met twee lagen, bestaande uit dezelfde acrylhars aan de onderkant en een laag diatomiet aan de bovenkant; dit reflecteerde licht maar blokkeerde nog steeds de waterweg omdat de hars het oppervlak verzegelde. Het vierde apparaat was alleen bedekt met de diatomietlaag, die het licht reflecteerde en tegelijkertijd water door de natuurlijke poriën liet passeren. Ze plaatsten alle vier de apparaten in een bak met water onder een felle kunstmatige zon die de intensiteit van een heldere dag simuleerde, waarbij ze de geproduceerde elektriciteit en de hoeveelheid verdampd water gedurende dertig minuten maten.

De resultaten toonden een duidelijke winnaar. Het ongemaskeerde apparaat produceerde een kleine spanning van 0,25 millivolt. De apparaten met de massieve witte maskers, die de zon reflecteerden maar de watertoevoer stopten, produceerden een iets hogere spanning van 0,34 millivolt. Deze verbetering bewees dat het reflecteren van het zonlicht hielp, zelfs als dit ten koste ging van de verdampingskoeling. Echter, het apparaat met het diatomietmasker, dat zowel de zon reflecteerde als water doorliet, produceerde een spanning van 0,50 millivolt. Dit was precies de dubbele output van het ongemaskeerde apparaat. Het diatomietmasker liet ook de meeste water verdampen, met 670 milligram verlies in dertig minuten, vergeleken met 535 milligram voor het ongemaskeerde apparaat. De poreuze structuur van het diatomiet vergrootte het oppervlak waar water kon overgaan in damp, wat het koelingseffect versterkte, terwijl de witte kleur de hitte van de zon buiten de deur hield.

De onderzoekers analyseerden zorgvuldig waarom deze combinatie zo goed werkte. Ze vonden dat de winst in vermogen uit twee afzonderlijke bronnen kwam die perfect bij elkaar optelden. De eerste bron was de reflectie van het zonlicht, wat voorkwam dat het koelgebied opwarmde. De tweede bron was de voortgezette verdamping van water door het poreuze masker, wat actief warmte wegtrok. Toen ze de apparaten vergeleken, zagen ze dat het simpelweg reflecteren van het licht zonder water door te laten slechts een kleine boost gaf, maar het openen van de waterweg terwijl de reflectie behouden bleef, een veel grotere boost opleverde. Het diatomietmasker slaagde erin beide tegelijk te doen. Het team berekende dat het temperatuurverschil over de film in het beste apparaat 2,60 graden Celsius was, het dubbele van de 1,30 graden die werd gezien bij de ongemaskeerde versie. Deze verdubbeling van het temperatuurverschil leidde direct tot de verdubbeling van de elektrische output.

Deze ontdekking is belangrijk omdat het een nieuwe manier laat zien om energiewinning uit de omgeving te verbeteren. De meeste thermo-elektrische apparaten vereisen een constante toevoer van warmte aan de ene kant en een constante toevoer van kou aan de andere kant, wat hun inzetbaarheid beperkt. Apparaten die hun eigen temperatuurverschil creëren, kunnen overal werken waar water en licht aanwezig zijn, wat ze ideaal maakt voor onbemande sensoren op meren of oceanen. De studie bewijst dat je niet de kern van het materiaal van de generator hoeft te veranderen om het beter te maken; je hoeft alleen maar het oppervlak te ontwerpen dat de koelzijde raakt. Door een materiaal te gebruiken dat zowel reflecterend als doorlaatbaar is, hebben de onderzoekers een koelende laag gecreëerd die veel effectiever is dan elk eerder ontwerp. Het diatomietmasker, een eenvoudige composiet van natuurlijke silica-schelpen en een gipsbinder, bleek de perfecte oplossing te zijn en bood een praktisch pad naar krachtigere, zelfvoorzienende energiebronnen voor de toekomst.