Een klein nanodevice gebruikt zonlicht en warmte om verdampend water om te zetten in constante stroom. Volgens onderzoekers kan dit een doorbraak betekenen voor batterijloze sensoren, wearables en micro-energievoorziening.
Onderzoekers van het École Polytechnique Fédérale de Lausanne hebben een nanodevice ontwikkeld dat elektriciteit opwekt uit verdampend zoutwater. Het bijzondere: het apparaat benut niet alleen de warmte voor verdamping, maar gebruikt ook licht om de elektronenstroom in het silicium te sturen.
Volgens de studie, gepubliceerd in Nature Communications, verhoogt dit het energie-opbrengstvermogen met een factor vijf ten opzichte van eerdere hydrovoltaïsche systemen.
Nieuwe manier van stroomopwekking
Hydrovoltaïsche (HV) technologie is een relatief nieuwe manier om elektriciteit te genereren door water te laten interageren met functionele materialen. In tegenstelling tot traditionele waterkracht, waarbij stromend water turbines aandrijft, gebruikt HV subtiele processen zoals verdamping of druppeltransport om een continue stroom op te wekken.
Enkel licht en warmte nodig
Het nanodevice bestaat uit silicium, een halfgeleider die reageert op licht. Fotonen exciteren elektronen in het materiaal, terwijl warmte de oppervlaktelading negatiever maakt. Deze combinatie versterkt het elektrische veld aan het grensvlak tussen het apparaat en het zoutwater.
Het apparaat heeft een drielaagse structuur: één laag voor verdamping, één voor ionentransport en één voor elektrische ladingscollectie. Door verdamping verschuiven de ionen, waardoor een stabiele ladingsscheiding ontstaat. Dit levert een continue stroom van ongeveer 1 volt en een vermogensdichtheid van 0,25 W/m². Dat is best indrukwekkend voor nanoschaal-systemen.
Vijf keer meer energie
Projectleider Giulia Tagliabue van LNET benadrukt dat het combineren van warmte en zonlicht cruciaal is: “Deze natuurlijke effecten bestaan al altijd, maar wij zijn de eersten die ze zo efficiënt benutten,” zegt ze in een persbericht. De vijfvoudige toename in energieopbrengst laat zien dat slimme materiaalselectie en nanostructuren enorme winst kunnen opleveren.
Het drielaagse ontwerp maakte het ook mogelijk een fysisch model op te stellen, waarmee onderzoekers verder kunnen optimaliseren door de zoutconcentratie en de geometrie van de nanopilaren aan te passen.
Beschermlaag tegen ongewenste reacties
Een belangrijke uitdaging van HV-technologie is degradatie door zoutwater, vooral bij warmte en licht. Om dit tegen te gaan, brachten de onderzoekers een oxidecoating aan op de nanopilaren. Deze beschermlaag voorkomt ongewenste chemische reacties en zorgt voor stabiele prestaties, zelfs onder langdurige belasting.
Potentiële toepassingen
Hoewel de vermogensdichtheid nog te laag is voor grootschalige energieopwekking, ligt de kracht van deze technologie in micro-energievoorziening. Denk aan:
- Batterijloze IoT-sensoren voor afgelegen of maritieme gebieden
- Milieumonitoring in wetlands of kustzones
- Wearables die energie uit zweet of omgevingsvocht halen
- Zelfvoorzienende sensoren in infrastructuur of smart cities
Omdat het systeem werkt met natuurlijke bronnen – water, zonlicht en restwarmte – kan het continu stroom leveren zonder bewegende delen of onderhoud.
De toekomst van hydrovoltaïsche energie
Hydrovoltaïsche technologie bevindt zich nog in een vroeg stadium, maar sluit perfect aan bij de trend van energie-autonome elektronica. Samen met energiezuinige chips en sensoren kan zelfs een relatief laag vermogen al praktisch bruikbaar zijn.
De onderzoekers van EPFL willen de prestaties verder verhogen door materiaalkeuze en nanogeometrie te optimaliseren, en door het apparaat te testen met echte zon- en warmtebronnen buiten het lab. Als dat lukt, kan hydrovoltaïsche energie een belangrijke rol spelen in een wereld vol sensoren en batterijloze apparaten.
