Napelemek, ugyan már! A levegőből is lehet elektromosságot csinálni?

Ha valaki azzal állna elénk, hogy olyan szerkezeten dolgozik, amely a levegőből képes elektromosságot kivonni, az ösztöneink szerint talán inkább a zárt osztály, mintsem a szabadalmi hivatal felé irányítanánk. Pedig a levegőben valóban van elektromosság, pontosabban a levegőben lebegő vízmolekulákban van rengeteg energia eltárolva. Sőt, a természet még készségesen azt is bizonyítja számunkra, hogy ebből az energiából lehetséges rengeteg elektromosságot létrehozni, hiszen a villámok is így keletkeznek (noha ennek pontos folyamata máig is intenzíven kutatott terület).

A kérdés tehát nem az, hogy lehetséges-e a levegőből elektromosságot „csinálni”, hanem az, hogy miként. A villámlással ugyebár az a gond, hogy egyrészt egyelőre még csak elmélet sincsen arra vonatkozóan, hogyan lehetne kontrolláltan létrehozni, másrészt a másodperc törtrésze alatt keletkező hatalmas energiát kéne befogni, majd tárolni későbbi felhasználásra. Lenne másik út is a vízpára-elektromosság, azaz a hygroelektromosság kinyerésére?

Tanultak a hibából

A híres-hírhedt Nikola Tesla természetesen dolgozott valamilyen megoldáson a levegő elektromosságának megcsapolására, de ha jutott is valamire, az más, hasonlóan fantasztikus, ám bizonyítottan soha nem működő találmányainak titkaihoz hasonlóan vele együtt szállt a sírba. Azóta sem jutott az emberiség sokkal közelebb a megoldáshoz, egészen néhány évvel ezelőttig inkább csak az elméleti lehetőségek kutatása zajlott – amíg egy kutató 2018-ban el nem követett egy apró, de potenciálisan hatalmas következményekkel járó hibát.

Történt ugyanis, hogy a Massachusetts-i Egyetem egy kutatócsoportja egy egyszerű, a levegő páratartalmának mérését szolgáló szenzort tervezett, majd ezt ki is akarták próbálni.

„Igazság szerint véletlenül történt az egész. Valamilyen oknál fogva az ezen dolgozó hallgató elfelejtette rákötni az áramot”

– meséli az eset nyomán született tanulmány szerzője, Jun Yao professzor. A csapat aztán meglepve tapasztalta, hogy a mikroszkopikus csövecskékből álló készülék ennek ellenére is elektromos jeleket produkált.

Mint később rájöttek, az történt ugyanis, hogy a hihetetlenül apró csövecskék (átmérőjük az emberi hajszál ezrede) ahhoz pont elég vastagok voltak, hogy a vízmolekulák beléjük tudjanak kerülni, ott azonban ide-oda „ütődtek” a cső falai között. Minden ilyen ütődés egy kis töltést adott át az anyagnak, és ahogy sűrűsödtek az ütődések, a csövecske egyik vége más töltésű lett, mint a másik. Ezzel tulajdonképpen egy elem jött létre, amelynek két végét összekötve a töltés áramlani kezd a két végpont között.

„Amit feltaláltunk, az tulajdonképpen egy apró, mesterséges felhőként működik” – egyszerűsítette le Yao.

A véletlenül felfedezett jelenséget felhasználva Yao csapata munkához látott, és létrehoztak egy nagyjából emberi köröm felületű, de az emberi hajnál ötször vékonyabb szerkezetet, amelyen milliónyi apró lyukacskát, azaz nanopórust „ütöttek”. Párás levegőben ez a kis lapka nagyjából egy mikrowatt energiát képes termelni – ez ahhoz elég, hogy egy LED-képernyő egyetlen pixelét meg lehessen vele világítani.

Ez nem túl sok, de nem is nulla energia.

„A dolog szépsége az, hogy levegő mindenütt van. Ugyan egy ilyen vékony kis szerkezet csak nagyon kevés elektromosságot termel, elméletben egymásra halmozhatunk ilyen rétegeket egy függőleges térben, növelve a kapott energiát”

– vázolja Yao a továbblépés lehetséges irányát.

Nem a levegőbe beszélnek

Vannak azonban, akik állítólag már közelebb is járnak a valóban használható hygroelektromosságot termelő készülék megvalósításához. A jelentős, nagyjából 5,5 millió eurós EU-s pénzügyi támogatással létrehozott Catcher projekthez kapcsolódóan létrejött startup, a CascataChuva lényegében egy családi vállalkozás, hiszen Svitlana Lyubchyk és ikerfiai, Andriy és Sergiy Lyubchyk alapították.

Az ő megoldásuk a fogbeültetések kedvelt anyagán, a cirkónium-oxidon alapul. Ebből a vegyületből apró, uniformizált nanorészecskéket hoznak létre, amelyeket egy vékony lapkára nyomnak, amelyen apró nanocsövek futnak keresztül, az elektromos mezők pedig ezekben a csövecskékben keletkeznek. A startup egy 4 centiméter átmérőjű, vékony korongocskát mutatott eddig be, amely méréseik szerint 1,5 volt feszültségű, illetve 10 milliamper erősségű áramot képes termelni. Ez sem túl nagy mennyiség, ám Lyubchykék szerint ha nagyjából 20 ezer ilyen korongocskát belepakolnak egy mosógép méretű téglatestbe, akkor az naponta akár 10 kilowattóra energiát is képes lenne termelni – ez körülbelül egy európai háztartás átlagos napi energiafelhasználásának feleltethető meg. Terveik szerint az első ilyen prototípus már 2024-ben tesztelhető lesz.

Nem kell nagyon ecsetelni, milyen előnyökkel járna, ha valóban sikerülne a levegő vízpárájából elektromosságot lecsapolni értelmezhető mennyiségben. A napelemekkel és a szélerőművekkel szemben a „páraerőművek” nagyrészt függetlenül működhetnének az időjárási viszonyoktól (bár nagyon száraz levegőben, például jócskán fagypont alatti hőmérséklet esetén ezek sem működnének), ráadásul akár fedett helyen is elhelyezhetők lennének. Az sem lehetetlen, hogy a technológia fejlődésével akár magukba az épületek falaiba is beépíthetők lennének párából áramot termelő panelek, így hosszú vezetékekre sem lenne szükség, tovább csökkentve a költségeket.

Ugyan a légkörben ilyen formán tárolt energia összemennyiségére vonatkozóan csak elnagyolt becslések léteznek, a számítások szerint ez összemérhető a más megújuló energiaforrásokból kiaknázható mennyiségekkel. Mellékes haszonként azt is elképzelhetőnek tartják a kutatók, hogy a vízpáraenergia megcsapolása csökkentheti a villámlások mennyiségét, és így az okozott károkat is.

„Amikor először hallottam erről, azt gondoltam: ’ó, ne, már megint egy ilyen.' De ennek vannak alapjai. Ha jól meg tudják építeni és a nagyságrendet feltornászni, illetve megelőzik, hogy a légköri mikróbák beszennyezzék, akkor működnie kéne”

– mondja a massachusets-i és a Catcher-csapat eredményeiről Peter Dobson, az Oxfordi Egyetem mérnöktudományokkal foglalkozó professzora, hozzátéve hogy a mikróbaszennyezés megelőzése inkább érdekes mérnöki kihívás, mintsem megoldhatatlan feladat.

Megéri fejleszteni?

Azonban nem mindenki ennyire optimista a technológiával kapcsolatban. A fő kérdések nem is annyira az áramtermelő képesség, hanem a költségek körül csoportosulnak. Ez különösen igaz a cirkónium-oxidra épülő CascataChuva megoldásánál, hiszen ehhez speciális összetevőkre van szükség.

„Hogyan gyártanák ezeket a szerkentyűket? A nyersanyagok beszerzése, a költségek felbecsülése, a környezetre gyakorolt hatások felmérése, a gyártás megfelelő felfuttatása mind-mind hosszadalmas és erőforrásokat igénylő feladat”

- fogalmazza meg fő akadályokat Anne Korre, az Imperial College London környezetvédelmi mérnökprofesszora. Az biztosnak látszik, hogy még ha sikerül is a mérnöki kihívásokat leküzdeni, az első időkben az ilyen technológiával előállított áram ára nem lesz versenyképes a már most létező technológiákkal előállítotthoz képest, ám – ahogy azt az elmúlt években például a napelemek esetében láthattuk – a sorozatgyártás és a felgyorsuló technológiai fejlődés nagyon gyorsan le tudja vinni az előállítási költségeket.

Yaóék eredménye azért is nagyon fontos, mert igazából bármilyen anyaggal működik, amelybe elég kis lyukacskákat lehet ütni, ez pedig leszoríthatja a költségeket arra a szintre, ahol már piaci befektetők is fantáziát láthatnak a fejlesztés megfinanszírozására. Ha pedig beindul a fejlesztés és a költségcsökkentés pozitív visszacsatolású spirálja, akkor talán még ebben az évtizedben megvalósulhat Nikola Tesla régi álma, és az emberiség az energiafelhasználásának egy részét tényleg a levegőből fedezheti.