Forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute har utvecklat en ny metod för att skörda energi från strömmande vatten. Leds av Rensselaer Professor Nikhil Koratkar, studien försökte förklara hur flödet av vatten över ytor belagda med nanomaterialet grafen kan generera små mängder el. Med ett litet ark av grafenbeläggningen, ses ovan som en mörkblå lapp kopplad till guldkontakter, forskargruppen demonstrerade skapandet av 85 nanowatt effekt.
(PhysOrg.com) - Forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute har utvecklat en ny metod för att skörda energi från strömmande vatten. Denna upptäckt syftar till att påskynda skapandet av självdrivna mikrosensorer för mer exakt och kostnadseffektiv oljeprospektering.
Leds av Rensselaer Professor Nikhil Koratkar, forskarna undersökte hur flödet av vatten över ytor belagda med nanomaterialet grafen kunde generera små mängder elektricitet. Forskargruppen demonstrerade skapandet av 85 nanowatt effekt från ett ark grafen som mäter 0,03 millimeter gånger 0,015 millimeter.
Denna mängd energi bör vara tillräcklig för att driva små sensorer som förs in i vatten eller andra vätskor och pumpas ner i en potentiell oljebrunn, Sa Koratkar. När det injicerade vattnet rör sig genom naturligt förekommande sprickor och sprickor djupt i jorden, enheterna upptäcker närvaron av kolväten och kan hjälpa till att avslöja dolda fickor med olja och naturgas. Så länge som vatten rinner över de grafenbelagda enheterna, de bör kunna tillhandahålla en pålitlig kraftkälla. Denna kraft är nödvändig för att sensorerna ska vidarebefordra insamlad data och information tillbaka till ytan.
"Det är omöjligt att driva dessa mikrosensorer med konventionella batterier, eftersom sensorerna bara är för små. Så vi skapade en grafenbeläggning som gör att vi kan fånga energi från vattnets rörelse över sensorerna, Sa Koratkar, professor vid institutionen för mekanik, Aerospace, och Kärnteknik och Institutionen för materialvetenskap och teknik vid Rensselaer School of Engineering. "Medan en liknande effekt har observerats för kolnanorör, detta är den första studien av detta slag med grafen. Grafens förmåga att skörda energi var åtminstone en storleksordning överlägsen nanorör. Dessutom, Fördelen med de flexibla grafenarken är att de kan lindas runt nästan vilken geometri och form som helst.”
Detaljer om studien, med titeln "Skörda energi från vattenflöde över grafen, ” publicerades online idag av tidskriften Nanobokstäver . Studien kommer också att visas i en framtida tryckt upplaga av tidskriften.
Kolväteprospektering är en dyr process som innebär att man borrar djupt ner i jorden för att upptäcka närvaron av olja eller naturgas. Koratkar sa att olje- och gasbolag skulle vilja utöka denna process genom att skicka ut ett stort antal sensorer i mikroskala eller nanoskala till nya och befintliga borrbrunnar. Dessa sensorer skulle resa i sidled genom jorden, bärs av trycksatt vatten som pumpas in i dessa brunnar, och in i nätverket av sprickor som finns under jordens yta. Oljebolagen skulle inte längre begränsas till vertikal prospektering, och data som samlats in från sensorerna skulle beväpna dessa företag med mer information för att bestämma de bästa platserna att borra.
Teamets upptäckt är en potentiell lösning för en viktig utmaning för att förverkliga dessa autonoma mikrosensorer, som måste vara självdriven. Genom att täcka mikrosensorerna med en grafenbeläggning, sensorerna kan skörda energi när vatten rinner över beläggningen.
"Vi lindar grafenbeläggningen runt sensorn, och det kommer att fungera som en "smart hud" som fungerar som en nanofluidisk kraftgenerator, sa Koratkar.
Grafen är ett en-atom-tjockt ark med kolatomer, som är anordnade som ett kedjelänkstaket. För denna studie, Koratkars team använde grafen som odlades genom kemisk ångavsättning på ett kopparsubstrat och överfördes till kiseldioxid. Forskarna skapade en experimentell vattentunnelapparat för att testa genereringen av kraft när vatten strömmar över grafen med olika hastigheter.
Tillsammans med att fysiskt demonstrera förmågan att generera 85 nanowatt kraft från ett litet fragment av grafen, forskarna använde simuleringar av molekylär dynamik för att bättre förstå fysiken kring detta fenomen. De upptäckte att kloridjoner som finns i vattnet fastnar på ytan av grafen. När vatten rinner över grafen, friktionskraften mellan vattenflödet och lagret av adsorberade kloridjoner gör att jonerna driver längs flödesriktningen. Rörelsen för dessa joner drar de fria laddningarna som finns i grafen längs flödesriktningen - skapar en intern ström.
Det betyder att grafenbeläggningen kräver att joner är närvarande i vatten för att fungera korrekt. Därför, oljeprospekteringsföretag skulle behöva tillsätta kemikalier till vattnet som injiceras i brunnen. Koratkar sa att det här är enkelt, billig lösning.
För studien, Koratkars team testade också energin som skördades från vatten som rinner över en film av kolnanorör. Dock, energigenereringen och prestanda var mycket sämre än de som uppnåddes med grafen, han sa.
Om man tittar på potentiella framtida tillämpningar av denna nya teknik, Koratkar sa att han kunde föreställa sig självdrivna mikrorobotar eller mikroubåtar. En annan möjlighet är att skörda kraft från en grafenbeläggning på undersidan av en båt.
