Kui me mõtleme energiatootmisele merel, kujutame tavaliselt ette hiiglaslikke naftapuurimisplatvorme või võib-olla ka kõrguvate tuulikute ridu. Viimasel ajal on segule lisatud ujuvaid päikesepaneele, sealhulgas päikesepõletusfarmi suurusega 160 jalgpalliväljakut, mis Hiinas eelmisel aastal tööle hakkasid.
Nüüd soovib Columbia ülikooli teadlaste meeskond astuda sammu kaugemale. Nad ütlevad, et ookeanipinnal on võimalik kasutada päikesepaneele, et toita seadmeid, mis suudavad mereveest vesinikkütust toota.
Vesinik on puhas energiavorm, kuid kõige sagedamini toodetakse seda maagaasist protsessis, mis eraldab ka süsinikdioksiidi, mis on kliimamuutuste peamine mõjutaja. Columbia teadlaste sõnul kõrvaldab nende seade, mida nimetatakse ujuvaks fotogalvaaniliseks elektrolüsaatoriks, selle tagajärje, kasutades selle asemel elektrolüüsi vesimolekulides hapniku ja vesiniku eraldamiseks ning seejärel viimase ladustamiseks kütuseks.
Meeskonna juht keemiatehnika abiprofessor Daniel Esposito juhib tähelepanu sellele, et olemasolevate kaubanduslike elektrolüzerite kasutamine vesiniku tootmiseks on üsna kulukas. "Kui võtate tavalisi päikesepaneele ja müügilolevaid elektrolüzeere ning kasutate päikesevalgust vee jagunemiseks vesinikuks ja hapnikuks, on see kolm kuni kuus korda kallim kui siis, kui toota vesinikku maagaasist, " ta ütleb.
Ta märgib ka, et need elektrolüzerid vajavad membraane, et hoida hapniku ja vesiniku molekulid lahus, kui nad on lõhenenud. See mitte ainult ei suurenda kulusid, vaid need osad kipuvad kiiresti lagunema, kui puutuvad kokku soolases vees leiduvate saasteainete ja mikroobidega.
"Võimalus ohutult demonstreerida seadet, mis suudab ilma membraanita elektrolüüsi teha, viib meid veel ühe sammu lähemale merevee elektrolüüsi võimalikkusele, " ütles kontseptsiooni tõestuse uuringu uurija ja juhtiv autor Jack Davis avalduses. "Need päikesekütuse generaatorid on sisuliselt kunstlikud fotosünteesi süsteemid, mis teevad samamoodi nagu taimed fotosünteesi abil, nii et meie seade võib avada igasuguseid võimalusi puhta taastuvenergia tootmiseks."
Kahte võrgusilma elektroodi hoitakse kitsas eralduskauguses (L) ja need genereerivad samaaegselt H2 ja O2 gaase. Peamine uuendus on katalüsaatori asümmeetriline paigutamine võre väljapoole suunatud pindadele, nii et mullide teke on selles piirkonnas piiratud. Gaasimullide eraldumisel põhjustab nende ujuvus ujuda ülespoole eraldi kogumiskambritesse. (Daniel Esposito / Columbia Engineering) Mullimine üles
Mis teeb nende elektrolüsaatori eristavaks?
Seade on ehitatud titaanvõrgust elektroodide ümber, mis on suspendeeritud vees ja eraldatud väikese vahemaaga. Elektrivoolu jaotamisel jagunevad hapniku ja vesiniku molekulid omavahel, kusjuures esimesed tekitavad positiivselt laetud elektroodil gaasimulle ja viimased teevad sama negatiivse laenguga elektroodil.
Kriitiline on hoida need erinevad gaasimullid eraldatuna ja Columbia elektrolüsaator rakendab katalüsaatorit iga võrgusilma komponendi ainult ühele küljele - teisest elektroodist kõige kaugemal asuvale pinnale. Kui mullid suurenevad ja võrgusilmast eralduvad, hõljuvad nad üksteise asemel ruumis segunedes mööda iga elektroodi välisserva üles.
Teadlased ei ole mitte ainult vältinud kallite membraanide kasutamist, vaid nad ei pidanud kaasama ka mehaanilisi pumpasid, mida mõned mudelid vedelike liigutamiseks kasutavad. Selle asemel tugineb nende seade ujuvusele, et vesinikumullid hõljuvad hoiukambrisse. Laboris suutis protsess toota 99-protsendilise puhtusega vesinikku.
New Yorgi Stony Brooki ülikooli materjaliteaduse ja keemiatehnika dotsent Aleksander Orlov nõustub, et membraanide eemaldamine on "oluline" areng. "Membraanid on tehnoloogia nõrgad kohad, " ütleb ta. "Leidub keerukamaid lahendusi, kuid Esposito lähenemisviis on äärmiselt lihtne ja üsna praktiline. See on avaldatud ja eelretsenseeritud väga suure mõjuga väljaannetes, nii et vaatamata lihtsusele on teadus ja uudsus kindlad."
Mõtleb suurelt
Esposito ja Davis tunnistavad kerge vaevaga, et nende laboris katsetatud väikeste mudelite massilisest struktuurist on suur hüpe, mis võiksid kontseptsiooni majanduslikult tasuvamaks muuta. Piisava vesinikkütuse tootmiseks merest võib see vajada sadu tuhandeid ühendatud elektrolüsaatoreid.
Tegelikult, võib Esposito sõnul olla vajalik, et projekti muutmise ajal muutuksid mõned muudatused, kuna projekt suureneb ja muutub modulaarsemaks, nii et mitu tükki mahub suure ala katmiseks kokku. Samuti seisavad nad silmitsi väljakutsega leida materjale, mis püsiksid soolases vees pikka aega.
Siiski usuvad mõlemad, et nende lähenemisviis võib mõjutada riigi energiavarustust tähendusrikkalt. Vesinikku kasutatakse keemiatööstuses juba laialdaselt, näiteks ammoniaagi ja metanooli tootmiseks. Ja eeldatakse, et nõudlus kasvab pidevalt, kuna rohkem autotootjaid kohustub autosid, mis töötavad vesinikkütuseelementidega.
(Vasakul) Foto väävelhappe vedelas reservuaaris hõljuva eraldiseisva PV-elektrolüsaatori prototüübist. "Minivarustuse" peale paigutatud fotogalvaanilised elemendid muudavad valguse elektriks, mida kasutatakse allpool asuva membraanita elektrolüsaatori toiteks. (Paremal) Hüpoteetilise avamerel töötava suuremahulise päikesekütuseploki renderdamine. ((Vasakul) Jack Davis ja (paremal) Justin Bui / Columbia Engineering) Nende pikaajaline visioon on ookeanis hõljuvatest hiiglaslikest „päikeseenergiakütuseplatvormidest” ja Esposito on jõudnud nii kaugele, et on hinnanud, kui suure kumulatiivse ala nad peaksid katma, et kogu planeedil kasutatud õli asendamiseks piisavalt vesinikkütust genereerida. . Tema arvutus: 63 000 ruutmiili ehk pindala pisut väiksem kui Florida osariik. See kõlab nagu palju ookeane, kuid ta juhib tähelepanu sellele, et kogu pindala kataks umbes 0, 45 protsenti Maa veepinnast.
See on natuke taevalaotuse projektsioon, kuid Esposito on mõelnud ka reaalse maailma väljakutsetele, mis seisaksid silmitsi ujuva energiatootmisoperatsiooniga, mis pole merepõhjaga ühendatud. Alustuseks on suured lained.
"Kindlasti oleks meil vaja selle tara jaoks taristu kujundada nii, et see taluks tormist merd, " ütleb ta. "See on midagi, mida võtaksite arvesse, kui mõtlete, kus riiul asub."
Ja võib-olla, lisab ta, võiksid need platvormid pääseda kahjulikust küljest.
“Seal on võimalus, et selline seade on mobiilne. Midagi, mis võiks laieneda, ja siis leping sõlmida. Tõenäoliselt ei saaks see kiiresti liikuda, kuid see võib tormist välja liikuda.
"See oleks tõesti väärtuslik, " ütleb ta.
