Energie ze vzduchu - nové zařízení využívá změny okolní teploty k výrobě elektřiny

Termoelektrická zařízení, která dokáží vyrábět elektřinu, pokud je okamžitá teplota na jednom konci zařízení jiná než na druhém, jsou známá již řadu let. Tým z americké univerzity MIT však nyní přišel s inovativním řešením, kdy jejich zařízení pro výrobu elektřiny dokáže díky akumulačnímu prvku využít změny okolní teploty, například při střídání dne a noci.

Takzvaný tepelný rezonátor by podle jeho autorů mohl sloužit například jako dlouhodobý stabilní zdroj elektrické energie pro senzory v odlehlých oblastech bez nutnosti výměny baterií. Zařízení je však zatím ve fázi prototypu s výkonem v řádu miliwattů.

Výhodou tohoto zařízení je, že oproti fotovoltaickým zdrojům ke své funkci nepotřebuje přímé sluneční záření – elektřinu vyrábí díky změnám okolní teploty, a není tedy ovlivněno krátkodobými změnami počasí včetně proměnlivé oblačnosti či rychlosti větru.

„Postavili jsme první tepelný rezonátor. Je to něco, co může ležet na stole a vyrábět elektřinu zdánlivě z ničeho. Neustále jsme obklopeni teplotními změnami o různých frekvencích. To je nevyužitý zdroj energie,“ uvedl Michael Strano, spoluautor projektu z MIT.

K výrobě elektrické energie z výkyvů okolní teploty vědci potřebovali materiál, který se vyznačuje vhodnou tepelnou jímavostí – vlastností, která popisuje, jak snadno materiál může absorbovat či uvolňovat teplo z, resp. do svého okolí. Tepelná jímavost kombinuje jak tepelnou vodivost materiálu, tak i jeho a tepelnou kapacitu. U většiny materiálů totiž platí, že je-li jedna z těchto vlastností vysoká, druhá má tendenci být nízká. Například keramika má vysokou tepelnou kapacitu, ale má nízkou tepelnou vodivost.

Klíčová je volba materiálu

Autoři zařízení tak zkombinovali několik různých prvků, aby dosáhli požadovaných vlastností materiálů. Základ tvoří kovová „pěna“ z mědi a niklu, jejíž povrch je pokryt vrstvou grafenu pro zajištění ještě vyšší tepelné vodivosti. Tato nosná konstrukce je poté napuštěna oktadekanem, látkou podobnou vosku, jež okolo 30 °C přechází z pevného do kapalného skupenství.

Zařízení na jedné straně akumuluje teplo, které při poklesu okolní teploty následně pomalu vyzařuje. Jedna strana zařízení tak vždy zaostává za druhou, jelikož se systém snaží dosáhnout teplotní rovnováhy. Tento trvalý rozdíl mezi oběma stranami pak může být využit k výrobě elektrické energie pomocí běžných termoelektrických článků. Výzkumnému týmu se s využitím malého vzorku speciálně vyvinutého materiálu podařilo při 10° rozdílu teploty mezi dnem a nocí dosáhnout napětí 350 mV a výkonu 1,3 mW.

První test probíhal po dobu 24 hodin a využíval změny teploty okolí v průběhu dne. Podle autorů projektu by však zařízení mohlo při správné konfiguraci využívat energii i z jiných teplotních cyklů, například při spínání průmyslových motorů.