Італійський фізик Дориано Броджоли (Doriano Brogioli) у статті Extracting Renewable Energy from a Salinity Difference Using a Capacitor, опублікованої в журналі Physical Review Letters, запропонував новий спосіб витягу енергії із градієнта солоності води. В основі його технології виробництва енергії лежить ионистор конденсатор дуже великої ємності

Фізичний принцип роботи цього пристрою можна зрозуміти з аналогії із плоским конденсатором, між обкладками якого розташований діелектрик, а сам конденсатор заряджений, але при цьому не підключений до джерела харчування. Спроба витягтися діелектрик з конденсатора приведе до збільшення напруги, тому що ємність конденсатора внаслідок цього зменшилася, а заряд залишився колишнім. Ріст різниці потенціалів на обкладках конденсатора також збільшує його енергію. Відбувається трансформація механічної роботи (витяг діелектрика) в електричну енергію, що відбивається як ріст напруги вконденсаторе.

Фактично всі т же саме відбувається й у пристрої Броджоли, де роль діелектрика грає солона вода, а процес його витягу еквівалентний витисненню солоної води прісною водою (мал. 1).

Два резервуари, наповнених водою з різними концентраціями солі хлориду натрію, являють собою прісну й солону воду. Вони по черзі заповнюють камеру, вимиваючи один одного з її. Крім цього в камері перебувають два електроди з активованого вугілля, які утворять конденсатор величезної ємності ионистор.

Чому Броджоли у своєму проекті використовує ионистор і чому як матеріал для нього застосовується активоване вугілля? Очевидно, що в цьому випадку конденсатор у ході вимивання діелектрика повинен якнайбільше змінити свою енергію убік зростання, щоб потім неї віддати. Оскільки енергія конденсатора пропорційна ємності, те це трапиться лише в тому випадку, коли ємність конденсатора буде найбільшою. Але ємність визначається геометрією конденсатора: вона пропорційна площі обкладок і обернено пропорційна відстані між ними. Тому, щоб не робити обкладки конденсатора дуже більшими, а відстань між ними максимально зменшити, використовують компактний конденсатор ионистор.

Ионистор складається із двох занурених в електроліт сильно пористих електродів, що дозволяє максимально збільшити ефективну площу конденсатора (ця перша перевага ионистора). Для цієї мети, як з'ясували вчені, найкраще підходить активоване вугілля. Під дією прикладеної напруги іони електроліту рухаються до відповідного електрода й накопичуються на його поверхні, образуя із зарядом електрода так званий подвійний електричний шар (тому в англомовній літературі ионистор ще називають конденсатором з подвійним електричним шаром). Товщина цього шару дуже маленька величина всього кілька десятків нанометрів (ця друга перевага), тому його можна інтерпретувати як обкладки звичайного конденсатора: одна обкладка електрод, а друга складається з іонів. За рахунок таких геометричних хитростей з матеріалом і виходять конденсатори з гігантською ємністю порядку 1 Ф (однієї фаради) і більше, які володіють при цьому розмірами, що не відрізняються від розмірів традиційних маленьких конденсаторів

Що стосується схеми роботи пристрою, то витяг енергії із градієнта солоності води з його допомогою умовно можна розбити на чотири фази (мал. 4).

Рис. 4. Повний цикл роботи пристрою по витягу енергії із градієнта солоності води. (а) Схема чотирьох фаз циклу (см. подробиці в тексті). (b) Графіки временних залежностей різниці потенціалів між електродами ионистора й струму, що тече через навантаження. Негативне значення струму відповідає процесу розрядки ионистора. Рис. з обговорюваної статті в Physical Review Letters

Фаза А. Камера заповнена солоною водою. Ионистор заряджають через навантаження у вигляді опору 1 кому до напруги 300 мв.

Фаза В. Електричний контур розімкнуть. Камера заповнюється прісною водою, витісняючи солону воду. Різниця потенціалів на електродах ионистора збільшується до 333 мВ. Нагадаємо, що ріст напруги відбувається через те, що запуск прісної води й витиснення солоної води еквівалентні витягу пластини діелектрика із плоского конденсатора

Фаза З. Конденсатор розряджається через той же опір до колишньої напруги 300 мв.

Фаза D. Електричний контур розімкнуть. Вуглецеві електроди знову вступають у контакт із солоною водою. Далі відбувається падіння різниці потенціалів до 274 мВ. Тепер відбувається як би внесення діелектрика в простір між обкладками плоского конденсатора, що викликає зниження різниці потенціалів

Дивлячись на напруги, які з'являються на електродах, логічно було б припустити, що ріст напруги на електродах приведе до збільшення енергії ионистора. Насправді, на жаль, збільшення різниці потенціалів не дасть очікуваного результату. При напрузі вище 1 У на ионисторе струм починає протікати завдяки окислювально-відновним хімічним реакціям, що приводять до швидкого розряду ионистора.

Графічно всі чотири фази можна представити в координатній площині заряд—напруга (мал. 5) за аналогією з координатною площиною об'єм—тиск для теплової машини, що працює по замкнутому циклі. Із графіка видно, що сумарний заряд, отриманий ионистором за час одного повного циклу, дорівнює нулю, тобто ніяких енергетичних витрат у процесі його заряду й розряду не вимагається

Рис. 5. Графічна інтерпретація повного циклу (чотирьох фаз) роботи пристрою: крива зміни напруги на ионисторе залежно від заряду на його електродах. Площа замкнутої кривої відповідає величині витягнутої енергії в пристрої Броджоли вона дорівнює 5 мкдж. Рис. з обговорюваної статті в Physical Review Letters

Зрозуміло, втрати заряду протягом одного циклу роботи пристрою присутні, але вони несуттєві й по своєму чисельному значенню на два порядки менше (приблизно 33 мккл, мікрокулона), ніж заряд, що одержує й віддає ионистор (порядку мкл, милликулона).

В експерименті Броджоли його установка генерувала 5 мкдж за цикл. Звичайно, це маленька величина, але автор резонно зауважує, що якщо використовувати ионистори, ємність яких становить 300 Ф на 1 грам речовини, то вихід енергії може досягати приблизно 1,6 кДж на літр прісної води, що один по одному величини вже рівняється з одержанням енергії на основі мембранної технології шляхом осмосу або зворотного електродиализа.

Джерело: Doriano Brogioli. Extracting Renewable Energy from a Salinity Difference Using a Capacitor (повний текст PDF, 282 Кб) // Phys. Rev. Lett. 103, 058501 (2009).