Varifrån kommer energin i Air-gen?

Så här tycker craiyon.com att
"generating electricity from water vapor"
ser ut.

 Tidigare i år kunde man läsa i Ny Teknik att forskare vid University of Massachusetts Amhurst hittat ett sätt att utvinna elektricitet ur tomma luften, en effekt de döpt till Air-gen. (Deras studie finns publicerad i tidskriften Advanced Materials, bakom betalvägg). Det sker med hjälp av en tunn film eller ett tunt skikt full av små, små hål - bara 100 nm i diameter. När skiktet placeras så att ena sidan är i kontakt med den omgivande luften och andra sidan är inkapslad bildas en skillnad i elektrisk potential mellan de två sidorna. Den skillnaden kan användas för att generera elektrisk ström. Resultaten är en vidareutveckling av forskargruppens tidigare arbete med tunna skikt av proteintrådar, men med skillnaden att de nu kommit på att man kan använda praktiskt taget vilket material som helst så länge hålen är av rätt storlek.

Energi ur tomma luften kan lätt låta för bra för att vara sant, men de här resultaten har genomgått peer review och publicerats i en vetenskaplig tidskrift. Så hur funkar detta egentligen? Och var kommer energin ifrån?

Det första man får tänka på här är att tomma luften, om man ska vara petnoga, inte är särskilt tom. Air-gen-effekten är beroende av luftfuktigheten, alltså den vattenånga som är en beståndsdel i vanlig luft. Redan i den första artikeln, den med proteintrådarna, såg man att den sida av det tunna skiktet som är i kontakt med luften tar upp ganska mycket vattenånga, men att mängden vatten avtar när man närmar sig den andra sidan av skiktet. Genom olika experiment kunde forskarna visa att det inte bara handlade om korrelation utan om ett orsakssamband, och att skiktets yttre yta får en svag elektrisk laddning. På något sätt ger alltså vattenångan skiktets yta en elektrisk laddning. Men hur?

En vanlig vattenmolekyl med två väte och ett syre, H₂O, är totalt sett elektriskt neutral. Om den bara landar på det tunna skiktets yta och stannar där kan den alltså inte tillföra någon laddning. Emellertid består inte vattenångan i luften, eller för den delen vatten i någon annan form, bara av vanliga vattenmolekyler. Den innehåller också OH^--joner* och H₃O⁺-joner, det vill säga dels joner med ett syre, ett väte och negativ laddning, dels joner med tre väte, ett syre, och positiv laddning. De här jonerna kan till exempel uppstå när två vanliga vattenmolekyler kolliderar och en vätejon, H⁺, spontant hoppar över från den ena till den andra. 

Om vi har vanliga vattenmolekyler, OH^--joner och H₃O⁺-joner i vattenånga och de kolliderar med det tunna skiktet lite slumpmässigt skulle det fortfarande inte hjälpa, eftersom vi då skulle få ungefär lika många positiva som negativa joner på ytan. Om det däremot var så att den ena sortens joner - säg de negativa - fastnade mer på ytan än de positiva skulle de negativa jonerna kunna samlas på ytan, medan de positiva släpper från ytan igen och far iväg. Forskarna bakom Air-gen refererar till en tidigare vetenskaplig artikel som beskriver just den typen av fenomen. Den tidigare artikeln beskriver också hur vanliga, elektriskt neutrala vattenmolekyler som landar på vissa typer av ytor spontant delar upp sig i positiva och negativa joner, samt hur olika egenskaper hos själva ytan leder till att positiva eller negativa joner stannar kvar på ytan eller far iväg.

Så det verkar som att det går att ge en yta elektrisk laddning bara med hjälp av vattenånga. Men vad är poängen med de små hålen? Enligt artikeln är de stora nog att släppa igenom vatten till den inkapslade sidan av skiktet, men små nog att vattenmolekylerna kommer att krocka med väggarna på vägen och därmed ha möjlighet att fastna på ytan och bidra till laddningen.

Här nånstans kan det vara på sin plats att nämna att flera mer populärvetenskapliga beskrivningar av Air-gen (t.ex. den här) är lite otydliga med om Air-gen faktiskt använder vattenånga, alltså enskilda vattenmolekyler eller små kluster av vattenmolekyler, eller om det handlar om vattendroppar som oftast är mycket större. Det verkar också som om forskarna själva jämför Air-gen med hur statisk elektricitet byggs upp i åskmoln genom krockar mellan vattendroppar, hagelkorn och iskristaller. Såvitt jag kunnat se i artiklarna är det framför allt vattenånga som ger själva Air-gen-effekten.

Men åter igen - var kommer själva energin ifrån? Det mesta verkar komma från vattenmolekylernas rörelseenergi, det är ju de som behöver krocka för att bilda joner, krocka med ytan, etc., för att inte tala om att vattenmolekylerna behöver vara närvarande i form av vattenånga istället för flytande vatten eller is. Rörelseenergin hos atomer och molekyler kallas också termisk energi, eftersom vi uppfattar den som värme (atomer och molekyler i varm luft har mer rörelseenergi än i kall luft, t.ex.). Den största källan till termisk energi för jordens atmosfär är, som man kanske kan gissa, solen. Air-gen verkar alltså leverera energi från solen, fast på omvägar.

*Joner är atomer eller molekyler som antingen fått eller blivit av med en eller flera elektroner, vilket gör att de blir elektriskt laddade.