Наука 21 век » Способ получения энергии из морской и речной воды

Объединённая группа учёных из Стэнфордского университета и Университета штата Пенсильвания (оба — США) сконструировала электрохимический элемент, способный эффективно использовать разность солёностей морской и пресной воды в качестве источника энергии. В природе такая химическая энергия, запасаемая под действием Солнца, которое поддерживает водооборот, рассеивается при смешивании пресной и морской воды. Первый проект её использования появился в 1954 году, а одну из наиболее перспективных современных схем в 2009 году представил итальянский исследователь Дориано Броджоли (Doriano Brogioli). Разработанное им устройство во многом напоминает ионистор с электродами из активированного угля.

Реализовать схему Броджоли на практике, однако, довольно трудно, поскольку она чувствительна к примесям и растворённому кислороду. Рассматриваемый вариант электрохимической установки таких проблем лишён.

Работу нового элемента обеспечивают «анионный» (взаимодействующий с ионами Cl-) и «катионный» (Na+) электроды. В начале цикла эти электроды, в структуру которых включены соответствующие ионы, погружены в раствор низкой ионной силы — речную воду. На первом этапе батарея заряжается путём извлечения Cl- и Na+ из электродов, после чего речная вода заменяется морской, что сопровождается увеличением разности потенциалов между электродами. На третьем шаге батарея разряжается (ионы занимают свои места в электродах), а затем пресная вода вытесняет морскую, завершая цикл и снижая разность потенциалов.

^{Рабочий цикл устройства (иллюстрация из журнала Nano Letters).}

Второй и четвёртый этапы проходят без выделения и поглощения энергии, тогда как на первой стадии энергия расходуется на «вытаскивание» ионов из кристаллической структуры. Третья фаза цикла сопровождается выработкой энергии, причём здесь можно получить определённый выигрыш за счёт того, что одинаковый объём заряда выделяется и поглощается на первом и третьем этапах при неодинаковой разности потенциалов. По расчётам авторов, функционирующая по такому принципу электростанция, которая обрабатывает речную воду со скоростью в 40 м3/с, могла бы выдавать до 100 МВт.

Чтобы протестировать технологию, учёные создали элемент, реализующий реакцию

5MnO₂ + 2Ag + 2NaCl ↔ Na₂Mn5O₁₀ + 2AgCl.
Серебряный электрод, следовательно, захватывает анионы хлора, а выполненный из наностержней Na₂-хMn₅O₁₀-электрод отвечает за Na+.

Устройство продемонстрировало эффективность преобразования энергии в 75% и стабильно и надёжно работало с «природными» образцами воды. Характеристики установки можно значительно улучшить, подобрав оптимальное расположение электродов.

Важным преимуществом своей технологии американцы считают то, что она работает и при низкой температуре. Если человечество полностью освоит этот возобновляемый источник энергии, оно сможет получать до 2 ТВт, что составляет около 13% от его нынешних потребностей.

^{по информации: compulenta.ru}