Συνήθως, όταν σκεφτόμαστε την παραγωγή ενέργειας στη θάλασσα, φανταζόμαστε γιγαντιαίες πετρελαϊκές εγκαταστάσεις, ή ίσως σειρές ανεπτυγμένων ανεμογεννητριών. Πρόσφατα, όμως, έχουν προστεθεί πλωτά ηλιακά πάνελ, συμπεριλαμβανομένου ενός ηλιακού αγροκτήματος μεγέθους 160 ποδοσφαιρικών πεδίων που τέθηκε σε λειτουργία στην Κίνα πέρυσι.
Τώρα, μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο Columbia θέλει να κάνει ένα βήμα πιο μακριά. Λένε ότι είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν ηλιακοί συλλέκτες στην επιφάνεια του ωκεανού για να τροφοδοτήσουν συσκευές που μπορούν να παράγουν καύσιμο υδρογόνου από το θαλασσινό νερό.
Το υδρογόνο είναι μια καθαρή μορφή ενέργειας, αλλά συνήθως παράγεται από φυσικό αέριο σε μια διαδικασία που επίσης απελευθερώνει διοξείδιο του άνθρακα, βασικό παράγοντα της αλλαγής του κλίματος. Οι επιστήμονες της Κολούμπια λένε ότι η συσκευή τους, που ονομάζεται πλωτός φωτοβολταϊκός ηλεκτρολύτης, εξαλείφει αυτή την συνέπεια χρησιμοποιώντας αντ 'αυτού ηλεκτρόλυση για τον διαχωρισμό του οξυγόνου και του υδρογόνου στα μόρια του νερού και στη συνέχεια την αποθήκευση του τελευταίου για χρήση ως καύσιμο.
Ο επικεφαλής της ομάδας Daniel Esposito, βοηθός καθηγητής χημικής μηχανικής, επισημαίνει ότι η χρήση των υφιστάμενων εμπορικών ηλεκτρολυτών για τη δημιουργία υδρογόνου είναι αρκετά δαπανηρή. "Αν βγάλετε τα ηλιακά πάνελ off-the-shelf και τα διαθέσιμα στο εμπόριο ηλεκτρολύτες και χρησιμοποιείτε το φως του ήλιου για να διαχωρίσετε το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο, θα είναι τρεις έως έξι φορές πιο ακριβά από ό, τι αν χρησιμοποιούσατε υδρογόνο από φυσικό αέριο" αυτος λεει.
Σημειώνει επίσης ότι αυτοί οι ηλεκτρολύτες απαιτούν από τις μεμβράνες να διατηρούν τα μόρια οξυγόνου και υδρογόνου διαχωρισμένα μόλις χωριστούν. Αυτό όχι μόνο αυξάνει το κόστος, αλλά τα μέρη αυτά τείνουν να υποβαθμίζονται γρήγορα όταν εκτίθενται στα μολυσματικά και τα μικρόβια σε αλμυρό νερό.
"Η ικανότητά μας να επιδείξουμε με ασφάλεια μια συσκευή που μπορεί να επιτελέσει ηλεκτρόλυση χωρίς μεμβράνη μας φέρνει ένα ακόμη βήμα πιο κοντά στη δυνατότητα ηλεκτρολύσεως θαλασσινού νερού", δήλωσε σε δήλωσή του ο Jack Davis, ερευνητής και επικεφαλής της μελέτης απόδειξης ιδέας. "Αυτές οι γεννήτριες ηλιακών καυσίμων είναι ουσιαστικά τεχνητά συστήματα φωτοσύνθεσης, κάνουν το ίδιο πράγμα που κάνουν τα φυτά με τη φωτοσύνθεση, έτσι ώστε η συσκευή μας μπορεί να ανοίξει κάθε είδους ευκαιρίες για παραγωγή καθαρής, ανανεώσιμης ενέργειας".
Δύο ηλεκτρόδια πλέγματος συγκρατούνται σε μία στενή απόσταση διαχωρισμού (L) και παράγουν ταυτόχρονα αέρια Η2 και 02. Η βασική καινοτομία είναι η ασύμμετρη τοποθέτηση του καταλύτη στις εξωτερικά προσανατολισμένες επιφάνειες του πλέγματος, έτσι ώστε η δημιουργία φυσαλίδων να περιορίζεται στην περιοχή αυτή. Όταν οι φυσαλίδες αερίου αποσπαστούν, η πλευστότητα τους αναγκάζει τους να φτάσουν προς τα επάνω σε ξεχωριστούς θαλάμους συλλογής. (Daniel Esposito / Columbia Engineering) Μπαμπέλα
Έτσι, τι κάνει τον ηλεκτρολύτη τους διακριτικό;
Η συσκευή είναι χτισμένη γύρω από ηλεκτρόδια πλέγματος τιτανίου αναρτημένα σε νερό και χωρίζονται σε μικρή απόσταση. Όταν εφαρμόζεται ένα ηλεκτρικό ρεύμα, τα μόρια οξυγόνου και υδρογόνου χωρίζονται μεταξύ τους, με τις πρώην αναπτυσσόμενες φυσαλίδες αερίου στο ηλεκτρόδιο που είναι θετικά φορτισμένες, και το τελευταίο κάνει το ίδιο σε εκείνο με ένα αρνητικό φορτίο.
Είναι κρίσιμο να διατηρήσουμε αυτές τις διαφορετικές φυσαλίδες αερίων διαχωρισμένες και ο ηλεκτρολύτης Columbia το κάνει αυτό μέσω της εφαρμογής ενός καταλύτη σε μία μόνο πλευρά κάθε στοιχείου πλέγματος - την επιφάνεια που βρίσκεται μακρύτερα από το άλλο ηλεκτρόδιο. Όταν οι φυσαλίδες γίνουν μεγαλύτερες και αποσπαστούν από το πλέγμα, επιπλέουν κατά μήκος των εξωτερικών άκρων του κάθε ηλεκτροδίου αντί να αναμειγνύονται μαζί στο διάστημα μεταξύ τους.
Όχι μόνο οι επιστήμονες αποφεύγουν να χρησιμοποιούν ακριβές μεμβράνες, αλλά επίσης δεν χρειάζεται να ενσωματώσουν τις μηχανικές αντλίες που χρησιμοποιούν ορισμένα μοντέλα για να μεταφέρουν υγρά. Αντ 'αυτού, η συσκευή τους βασίζεται στην άνωση για να επιπλέουν οι φυσαλίδες υδρογόνου επάνω σε ένα θάλαμο αποθήκευσης. Στο εργαστήριο, η διαδικασία ήταν σε θέση να παράγει αέριο υδρογόνο με καθαρότητα 99 τοις εκατό.
Ο Alexander Orlov, αναπληρωτής καθηγητής επιστήμης υλικών και χημικής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Stony Brook στη Νέα Υόρκη, συμφωνεί ότι η εξάλειψη των μεμβρανών είναι μια "ουσιαστική" εξέλιξη. "Οι μεμβράνες είναι αδύνατα σημεία στην τεχνολογία", λέει. "Υπάρχουν κάποιες πιο εξελιγμένες λύσεις, αλλά η προσέγγιση του Esposito είναι εξαιρετικά απλή και αρκετά πρακτική. Έχει δημοσιευθεί και αναθεωρηθεί σε δημοσιεύσεις με πολύ μεγάλη επίδραση, έτσι ώστε η απλότητα, η επιστήμη και η καινοτομία να είναι σταθερά".
Σκεφτείτε μεγάλο
Ο Esposito και ο Davis αναγνωρίζουν εύκολα ότι είναι ένα μεγάλο άλμα από το μικρό μοντέλο που δοκιμάστηκε στο εργαστήριό τους στο τεράστιο είδος δομής που θα μπορούσε να καταστήσει την έννοια οικονομικά βιώσιμη. Μπορεί να χρειάζεται να περιλαμβάνει εκατοντάδες χιλιάδες συνδεδεμένες μονάδες ηλεκτρολυτών για τη δημιουργία επαρκούς ποσότητας καυσίμου υδρογόνου από τη θάλασσα.
Στην πραγματικότητα, λέει ο Esposito, ίσως είναι απαραίτητο να γίνουν κάποιες αλλαγές στο σχεδιασμό, καθώς το σχέδιο κλιμακώνεται και γίνεται πιο αρθρωτό, τόσα πολλά κομμάτια μπορούν να χωρέσουν μαζί για να καλύψουν μια μεγάλη περιοχή. Επίσης, αντιμετωπίζουν την πρόκληση να βρουν υλικά που μπορούν να επιβιώσουν για μεγάλο χρονικό διάστημα σε αλμυρό νερό.
Τούτου λεχθέντος, και οι δύο πιστεύουν ότι η προσέγγισή τους έχει τη δυνατότητα να επηρεάσει σημαντικά τον ενεργειακό εφοδιασμό της χώρας. Το υδρογόνο χρησιμοποιείται ήδη σε μεγάλο βαθμό στη χημική βιομηχανία, για παράδειγμα, για να παράγει αμμωνία και μεθανόλη. Και, η ζήτηση αναμένεται να συνεχίσει να αυξάνεται, καθώς περισσότεροι κατασκευαστές αυτοκινήτων δεσμεύονται σε αυτοκίνητα που λειτουργούν με κυψέλες καυσίμου υδρογόνου.
(Αριστερά) Φωτογραφία του πρωτότυπου αυτόνομου φωτοβολταϊκού ηλεκτρολύτη που επιπλέει σε δεξαμενή υγρού θειικού οξέος. Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα τοποθετημένα στην κορυφή της "mini εξέδρας" μετατρέπουν το φως σε ηλεκτρισμό που χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία του βυθισμένου με μεμβράνη ηλεκτρολύτη που βυθίζεται παρακάτω. (Δεξιά) Η απόδοση μιας υποθετικής μεγάλης κλίμακας "ηλιακής μονάδας καυσίμων" που λειτουργεί στην ανοιχτή θάλασσα. ((Αριστερά) Jack Davis και (δεξιά) Justin Bui / Columbia Engineering) Το μακροπρόθεσμο όραμά τους είναι ότι οι μεγάλες "ηλιακές εγκαταστάσεις καυσίμων" επιπλέουν στον ωκεανό και ο Esposito έχει προχωρήσει τόσο πολύ ώστε να υπολογίσει πόση σωρευτική περιοχή θα έπρεπε να καλύψει για να παράγει αρκετό καύσιμο υδρογόνου για να αντικαταστήσει όλο το πετρέλαιο που χρησιμοποιείται στον πλανήτη . Ο υπολογισμός του: 63.000 τετραγωνικά μίλια, ή μια περιοχή ελαφρώς μικρότερη από την πολιτεία της Φλόριντα. Αυτό ακούγεται σαν πολύ ωκεανό, αλλά επισημαίνει ότι η συνολική έκταση θα καλύπτει περίπου το 0, 45% της επιφάνειας της Γης.
Είναι ένα κομμάτι μιας προβολής πίτα-στο-ουρανό, αλλά ο Esposito έχει επίσης σκεφτεί τις πραγματικές προκλήσεις που θα αντιμετωπίσουν μια επιχείρηση παραγωγής πλωτής ενέργειας που δεν συνδέεται με τη θάλασσα. Για αρχάριους, υπάρχουν μεγάλα κύματα.
"Βεβαίως, θα χρειαζόμασταν να σχεδιάσουμε την υποδομή για αυτή την εξέδρα έτσι ώστε να μπορεί να αντέξει τις θυελλώδεις θάλασσες", λέει. "Είναι κάτι που θα λαμβάνατε υπόψη όταν σκέφτεστε πού βρίσκεται μια εξέδρα".
Και ίσως, προσθέτει, αυτές οι εξέδρες θα μπορούσαν να απομακρυνθούν από τη ζημιά.
"Υπάρχει η πιθανότητα μια τέτοια εξέδρα να είναι κινητή. Κάτι που θα μπορούσε ενδεχομένως να επεκταθεί και στη συνέχεια να συμβεί. Πιθανότατα δεν θα μπορούσε να κινηθεί γρήγορα, αλλά θα μπορούσε να απομακρυνθεί από μια καταιγίδα.
"Αυτό θα ήταν πραγματικά πολύτιμο", λέει.
