Energia talteen ilmankosteudesta

Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa (Lappeenranta University of Technology, LUT) on meneillään tutkimus, jossa etsitään keinoja ottaa energiaa talteen ilmankosteudesta. Tavoitteena on kehittää aurinkokennoja vastaava uusiutuvan energian konsepti, joka mahdollistaa ilmankosteuteen perustavan energian tuotannon.

Suhteellinen ilmankosteus on yleensä vähintään 25 prosenttia. Kun ilmankosteudessa olevat vesipartikkelit liikkuvat, niiden pinnalle syntyy sähkövaraus. Sähkön muodostuminen ja vapautuminen ilmakehän vesipisaroista on ilmiönä tunnistettu jo kauan aikaa sitten. Ilmiön monimutkaisuudesta johtuen sen tutkiminen on ollut haastavaa. Nyt tutkijat ovat kehittäneet materiaalin, johon ilmankosteuden avulla muodostuvaa sähköenergiaa saadaan varastoitua ja sitä voidaan tutkia.

Materiaali on zirkoniumoksidiin perustuva nanokomposiitti. Zirkoniumoksidi on ionijohde, jossa sähkönjohtavuus perustuu oksidi-ionien liikkeeseen materiaalissa. Vesipisaroiden liikkuessa materiaalin pinnalla, varastoituu muodostunut sähkö zirkoniumoksidin nanopartikkeleihin.

Tutkimusta varten zirkoniumoksidi-pohjaisista nanokomposiiteista valmistettiin ohutkalvoja alumiinielektrodeja sisältävälle lasipinnalle. Nanokomposiitti suihkutettiin lasipinnalle aerosolin avulla. Valmiin näytekappaleen pinnalle johdettiin kosteaa ilmaa. Sen jälkeen näytteen ominaisuuksia tutkittiin atomivoimamikroskoopilla sekä pintapotentiaalimikroskoopilla.

Mikroskoopeilla on mitattu muun muassa näytteen pinnan muotoja ja sähköisiä ominaisuuksia eri ilmankosteuspitoisuuksilla.

"Tutkimme materiaalin pinnalle syntyvää energianmäärää, eli mikroampeereja. Olemme päässeet mittauksissa jopa yhden voltin jännitteeseen. Virran suuruus on ollut muutama mikroampeeri neliösenttimetriä kohden," kertoo professori Erkki Lähderanta.

Tutkimukset osoittavat, että korkeampi kosteustaso johtaa vahvempaan sähkökenttään näytteessä. Ilmankosteudesta on siis mahdollista tuottaa pieniä määriä sähköä, jota voidaan tarpeeksi isoissa määrissä käyttää esimerkiksi sähkölaitteiden virrantuotantoon. Ihanteellisen yhdistelmän aikaansaamiseksi täytyy kuitenkin löytää teknisesti oikeat vakiosuureet, kuten nanokomposiittikerrosten paksuus, komposiittien nanohiukkasten määrä sekä sähköä johtavien alumiinielektrodien geometriset suureet.

Tutkijat arvioivat, että tulevaisuudessa esimerkiksi matkapuhelimet tai muut kannettavat älylaitteet voivat latautua itsestään hyödyntämällä vain kosteutta ilmassa.

"Tämä idea voi johtaa isompiin innovaatioihin. Noin 10–20 vuoden päästä tämä teknologia voi olla siinä pisteessä, että ensimmäiset prototyypit saadaan markkinoille. Tutkimamme materiaali ei välttämättä ole lopullinen materiaali, mutta siinä on paljon potentiaalia", Lähderanta toteaa.

Tutkimushankkeessa on mukana yhteistyökumppaneita Euroopasta ja Yhdysvalloista. Hanke käynnistyi vuoden 2016 alussa ja sen on määrä päättyä vuoden 2019 syyskuussa.

Lisätietoja:

Professori Erkki Lähderanta, p. 040 554 5227, erkki.lahderanta@lut.fi