Električna struja – mućkanjem vode

Može li se iz vode dobiti električna struja? Pa sad… Ako vodu shvatimo kao izvor energijeonda očito da ne može, jer – upravo govoreći – voda je spoj vodiča i kisika s najnižom slobodnom (Gibbsovom) energijom: u bilo koju drugu vodu možemo pretvoriti u vodikov peroksid (H₂O₂) ili u smjesu vodika (H₂) u kisiku (O₂), trebamo trošiti energiju. Drugim riječima, u gorivim ćelijama električna energija se proizvodi iz vodika, vodik je raketno gorivo (a kisik je oksidans), vodikov peroksid je pogonsko gorivo (također za rakete) – a sva ta goriva i pogonski plinovi imaju jedno zajedničko: na kraju proizvode vodu. , najstabilnije stanje vodika i kisika.

No na postavljeno pitanje, može li se iz vode dobiti električna struja, može se odgovoriti i potvrditi. Voda je fluid, a svaki se fluid (tekućina ili plin) može staviti u stanje gibanja, a onda njegovu kinetičku energiju pretvoriti u električnu. Hidroelektrane su za to više nego očit dokaz, a za njima slijede sve popularnije vjetroelektrane. No da bi se to postiglo, treba u najmanju ruku imati turbinu i generator, pa iako je riječ o vrlo djelotvornim uređajima za pretvaranje energije, oni imaju mnoštvo pokretnih dijelova, a svaki je pokretni dio muka za konstruktore. Lopatice turbina se troše, osovine i zupčanici habaju, strojni dijelovi u vodi – posebno u morskoj – korodiraju. Da ne spominjemo buku i opasnost za biljni i životinjski svijet jer lopatice turbina, kako vodenih tako i zračnih, sve su prije nego nježne.

I evo rješenja. Naziva se cijevni triboelektrični nanogenerator na tekući bazi (cjevasti triboelektrični nanogenerator na bazi tekućine, TL-TENG). Iza dugog naziva puno teško razumljivih riječi krije se vrlo jednostavna naprava. To je cijev od kremenog stakla zatvorena na oba kraja i dopola ispunjena čistom vodom. Kada se cijev pomiče, voda u njoj se trese – i proizvodi električnu struju.

Uređaj koji su ga napravili kineski znanstvenici te su njegov rad opisali u časopisu Materija u znanstvenom članku „Nanogenerator na bazi tekućine izrađen od samosastavljenog fluoroalkilnog monosloja s visokom gustoćom naboja za žetvu energije“, je – kao što rekoh – jednostavan, a ni princip njegova djelovanja nije odviše kompliciran. Pri vlaženju površine ravnih čepova cijevi, izrađenih od silicija presvučenih spremnika, ne više od 2 μm debelim slojem njegova oksida, molekule vode im predaju elektrone iz atoma kisika, pa su nabijeni negativnim nabojem. Ali negativni naboj čepova cijevi kompenzira pozitivno nabijene molekule vode (H₂O⁺), ali samo dok voda stoji uz električnu nabijenu površinu. Ne, kada razina vode padne, više nema ničega što bi nadoknadilo negativni naboj, pa se elektroni pomaknu na suprotnu elektrodu – teče električna struja.

Sve se to događa zato što su površine elektroda presvučene perfluoralkanom, teflon sličnu tvar. U vrlo jednostavnom postupku, perfluoroalkan vezan na etil ester silicija (FDTES) nanosi se na kremeno staklo. Reagira sa SiO₂ stvara hidrofobnu površinu koja prihvaća elektrone (FDTES-SiO₂). Ta je površina izuzetno tanka, sastoji se od samo jednog sloja vezanih molekula FDTES. Debljina sloja je svega 1,5 nm, što opravdava naziv „nanogenerator“.

Uređaj kineskih znanstvenika proizvodi visok napon, čak 102 V, bez male gustoće napona na elektrodama (500 μC m^-2), snaga proizvedene električne struje je mala – ne više od 43 mW po kvadratnom metru elektrode. Da li je vrijedno toga?

Vrijedno je toga. Triboelektrični nanogenerator nije, barem za sada, namijenjen zamjeni turbina i generatora u hidroelektranama; on bi trebao postati pouzdan izvor električne struje za alpiniste, speleologe, polarne istraživače i sve druge koji rade u teškim uvjetima. Uređaj od 176 grama, pričvršćen za zapešće, može proizvesti dovoljnu struju za napajanje pet LED dioda. Za razliku od električne baterije, ne smeta mu vlaga, a što je najvažnije TL-TENG se ne može istrošiti jer struje ima dokle god se ruka giba. Kako se u njemu ništa ne pokreće osim najčišće vode, nanogenerator se ne može pohabati – ni nakon pola milijuna ciklusa (što odgovara 70 sati rada) nije zapažen pad jakosti struje.

Nenad Raos je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnom zvanju, koji je radio do umirovljenja 2016. godine u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI). Autor je i koautor oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske (računalne) kemije, kemije kompleksnih spojeva, bioanorganske kemije i povijesti znanosti. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik Prirode te urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Još se od studentskih dana bavi popularizacijom znanosti. Autor je 3000 znanstveno-popularnih članaka te 14 znanstveno-popularnih knjiga.