本文来自微信公众号：世界科学 （ID：World-Science），编译：哔普星人，原文标题：《一次偶然的错误，他们意外发现利用空气也可以发电…特斯拉的狂想要便为现实了？》，题图来自：视觉中国


20世纪初，天才发明家尼古拉·特斯拉提出了一个超乎想象的狂想：从我们身边的空气里直接获取无限供应的电力，实现思路是将地球和高层大气当作一个巨大电池的两端。


特斯拉的狂想从未实现，但空气发电的概念激发了当代科学家的创造力。


图片拍摄于1900年，尼古拉·特斯拉正在他的实验室里工作


2023年5月，美国马萨诸塞大学安姆斯特分校的研究团队发表论文称，他们成功利用空气湿度产生了微小但连续的电流。


根据通信作者、青年物理学家姚军的说法，这股神奇的空气电流源于一场意外。“我们本想制作一个简单的空气湿度传感器，但负责这个的学生忘了插上电源。”


结果姚军等人惊讶地发现，这个由一系列微型管（或者说纳米线）组成的装置，总会产生电信号。


这些微型管的直径不超过人类头发直径的千分之一，刚好允许空气里的水分子进入，却又无法在管内自由碰撞。观察结果显示，每一次水分子碰撞管内壁都会给材料带来少量电荷，随着碰撞频率增加，管子一端的电荷量将不同于另一端。


“于是它就像一块电池，有一个正极和一个负极，当你连接两端，电荷就会流动。”


在新发表的研究中，姚军团队不再使用一维纳米管线，而是在薄膜材料上冲压出数百万个纳米孔，让水分子在纳米孔道内碰撞，改变薄膜上端面和下端面的电荷差。


他们打造的“湿度发电膜”厚度仅人类头发直径的1/5，却能产生大约1微瓦的功率——足以照亮大型LED屏幕上的单个像素。


姚军表示：“空气无处不在。虽然这一设备产生的电力非常小，但从理论上讲，我们可以堆叠多层薄膜以增加功率。”


每天发10度电


特斯拉狂想的葡萄牙追随者一直在想方设法提高空气发电功率。斯维特拉娜·柳布奇克（Svitlana Lyubchyk）和她的双胞胎儿子安德烈·柳布奇克（Andriy Lyubchyk）、谢尔盖·柳布奇克（Sergiy Lyubchyk），都任职于葡萄牙里斯本新大学，也是欧盟CATCHER项目（Creation of innovative "humidity to electricity" renewable energy conversion technology towards sustainable energy challenge）的参与者，还共同创立了CascataChuva公司。


CATCHER项目旨在“将大气湿度转化为可再生能源”，而初创公司CascataChuva更是怀有将空气湿度发电研究商业化的雄心。


柳布奇克团队于2015年首次开始开拓这个领域，比姚军团队更早。安德烈回忆道：“那时我们被同行认为是异类，是在痴人说梦。”


“但早期的概念证明工作足以打脸。虽然电信号很弱，也不稳定，可我们产出了实打实的300毫瓦功率。当然，你必须费尽心力，才能将足够湿度吸入样品中。”


自那以后，柳布奇克团队取得了长足进步，CATCHER及其相关项目获得了欧洲创新理事会（European Innovation Council）近550万欧元资助；研究成果则是一种灰色、直径4厘米的薄圆盘状电池，根据柳布奇克的说法，其中一款设备能产生1.5伏电压和10毫安电流——如果将2万个这样的空气湿度电池组合使用，每天可产生10度电能。


他们计划到2024年演示电池的原型机。


湿度电能的未来


关于空气湿度电池的前景，多位学者发表了不同角度上的观点。


牛津大学工程科学教授彼得·多布森（Peter Dobson）持乐观态度：“如果能对其做设计和扩展，避免它被空气里的微生物污染，它的未来可期。防止微生物污染是个令人兴奋的工程挑战。”


帝国理工学院的环境工程教授安娜·科尔（Anna Korre）则发问：“这些设备应当如何生产制造？原材料采购、成本计算、环境足迹评估以及规模扩展，都需要时间和信念。”


另一方面，成本问题非常关键。以色列特拉维夫大学的地球物理学家科林·普莱斯（Colin Price）表示：“所有新能源技术都要考虑‘绿色溢价’，即选择清洁技术而非排放更多温室气体的传统技术所需的额外成本。目前湿度电池技术的绿色溢价巨大，希望通过研发、投资、清洁能源税收减免和对污染能源征税，溢价可以降低。”


柳布奇克团队估计，这些设备的平准化能源成本（即设备在其生命周期内发电的平均净现成本）一开始确实会很高，但通过大规模生产，他们有望大幅降低湿度发电的成本，使其不逊于太阳能和风能。当然，这一目标的实现，需要更大投资、更多原材料和更理想的加工设备。


姚军等学者正研究“理论上相对容易生产的有机材料”，CATCHER项目的科学家则已利用氧化锆（一种深受燃料电池研究者关注的材料）做出了喜人的成果。


柳布奇克团队承认，优化原型和扩大生产可能需要数年时间，可一旦成功，湿度电池的优势显而易见。


不同于太阳能或风能发电，空气湿度发电不分昼夜、不限室内外、不拘于地点。


“我们甚至希望基于这套发电体系，设计有发电能力的建筑材料，打造能利用湿度发电的建筑物，而无需接入电网。”


虽然当代科学距离从空气里获取无限电力还非常遥远，但我们有理由对此乐观，引用姚军的说法：“空气的水分子储存着巨大能量。我们在雷雨天看见的闪电，正因云层中水分子的碰撞摩擦而产生。我们所要做的，是学会收集这些湿能。”


资料来源：‘It was an accident’: the scientists who have turned humid air into renewable power


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