"Это очень интересно", - говорит Сяомэн Лю, аспирант кафедры электротехники и вычислительной техники Инженерного колледжа Умасса в Амхерсте и ведущий автор статьи. "Мы открываем широкие возможности для получения чистой электроэнергии из воздуха".

"Воздух содержит огромное количество электричества", - говорит Цзюнь Яо, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в инженерном колледже университета Массачусетса в Амхерсте и старший автор статьи. "Подумайте об облаке, которое представляет собой не что иное, как массу капель воды. Каждая из этих капель содержит заряд, и при подходящих условиях облако может породить молнию, но мы не знаем, как надежно улавливать электричество от молнии. Что мы сделали, так это создали созданное человеком маломасштабное облако, которое производит электроэнергию для нас предсказуемо и непрерывно, чтобы мы могли ее собирать".

Суть искусственного облака зависит от того, что Яо и его коллеги называют "эффектом генерации воздуха", и оно основывается на работе, которую Яо и соавтор Дерек Лавли, заслуженный профессор микробиологии в университете Массачусетса в Амхерсте, ранее завершили в 2020 году, показав, что электричество можно непрерывно получать из воздух с использованием специализированного материала, изготовленного из белковых нанопроволок, выращенных из бактерии Geobacter sulfurreducens восстанавливает серу.

"То, что мы поняли после создания Геобактер открытие, - говорит Яо, - заключается в том, что способность генерировать электричество из воздуха - то, что мы тогда назвали "эффектом генерации воздуха", - оказывается универсальной: буквально какой-нибудь какой-либо материал может извлекать электричество из воздуха, если он обладает определенным свойством."

Это свойство? "В нем должны быть отверстия размером менее 100 нанометров (нм), или менее тысячной ширины человеческого волоса".

Это происходит из-за параметра, известного как "средняя длина свободного пробега", расстояние, которое проходит отдельная молекула вещества, в данном случае воды в воздухе, прежде чем она столкнется с другой отдельной молекулой того же вещества. Когда молекулы воды взвешены в воздухе, их средняя длина свободного пробега составляет около 100 нм.

Яо и его коллеги поняли, что они могли бы спроектировать электрический комбайн, ориентируясь на это число. Этот комбайн был бы изготовлен из тонкого слоя материала, заполненного нанопорами размером менее 100 нм, которые позволяли бы молекулам воды проходить из верхней части материала в нижнюю. Но поскольку каждая пора очень мала, молекулы воды легко ударяются о край поры, проходя через тонкий слой. Это означает, что верхняя часть слоя подвергалась бы бомбардировке гораздо большим количеством молекул воды, несущих заряд, чем нижняя часть, создавая дисбаланс заряда, подобный тому, который наблюдается в облаке, поскольку верхняя часть увеличивала свой заряд относительно нижней части. Это фактически создало бы батарею, которая работает до тех пор, пока в воздухе есть хоть какая-то влажность.

"Идея проста, - говорит Яо, - но она никогда не была открыта раньше, и это открывает всевозможные возможности". Комбайн может быть сконструирован буквально из любых видов материалов, предлагая широкий выбор экономичных и адаптируемых к окружающей среде конструкций. "Вы могли бы представить комбайны, изготовленные из одного вида материала для тропических лесов, и другого для более засушливых регионов".

А поскольку влажность присутствует постоянно, комбайн будет работать круглосуточно, в дождь или в ясную погоду, ночью и независимо от того, дует ветер или нет, что решает одну из основных проблем таких технологий, как ветровая или солнечная энергия, которые работают только при определенных условиях.

Наконец, поскольку влажность воздуха рассеивается в трехмерном пространстве, а толщина устройства Air-gen составляет лишь малую толику толщины человеческого волоса, многие тысячи устройств можно укладывать друг на друга, эффективно увеличивая количество энергии без увеличения занимаемой площади устройства. Такое устройство, генерирующее воздух, было бы способно выдавать мощность на уровне киловатт для общего использования в электросетях.

"Представьте себе мир будущего, в котором чистое электричество доступно везде, куда бы вы ни отправились", - говорит Яо. "Универсальный эффект Air-gen означает, что этот мир будущего может стать реальностью".

Это исследование было поддержано Национальным научным фондом, Sony Group, Link Foundation и Институтом прикладных наук о жизни (IALS) в UMass Amherst, который объединяет глубокий и междисциплинарный опыт 29 отделов кампуса UMass Amherst для преобразования фундаментальных исследований в инновации, приносящие пользу здоровью и благополучию человека.