Når sola er gjemt bak tunge regnskyer, er ikke solceller så effektive. Hva om vi også kunne samle energien fra regndråper med regnceller på taket?

Det jobbes med å finne måter å bruke bevegelsesenergi i fallende regn til å lage strøm.

Nå demonstrerer forskere ved City University of Hong Kong en ny metode som er mye mer effektiv enn tidligere.

En enkelt dråpe vann genererte en spenning på 140 volt og kraft nok til å lyse opp 100 små LED-dioder.

Resultatene er publisert i det vitenskapelige tidsskriftet Nature.

Kan drive små-elektronikk

Ved hjelp av elektroder og en vannavstøtende overflate, kan det nye instrumentet generere 50 watt strøm per kvadratmeter.

Men foreløpig ville ikke disse regncellene vært særlig praktiske for å lyse opp stua – om du ikke er veldig glad i diskolys. Hver gang en dråpe treffer, får du et blink.

Teknologien kan derimot fungere godt for å lade opp eller drive småskala-elektronikk utendørs. Slik som sensorer som brukes til å overvåke miljø, bygninger, bruer og annet. Enten ved å drive instrumentet i puls-modus eller ved å samle strømmen i et batteri eller kondensator. Da vil man kunne kutte ned på bruken av engangsbatterier.

Det forteller Lars Egil Helseth. Han er professor ved Institutt for fysikk og teknologi ved Universitetet i Bergen. Han har selv forsket på regnceller, og har vært med å fagfellevurdere den nye studien.

– Tenk på alle batteriene som brukes, det er gjerne engangsbatterier. Og så skal de kastes. Det er en forferdelig misbruk av ressurser om det finnes alternativer, sier han.

I videoen under ser vi innretningen og ved siden av kan du se diodene som lyser opp når dråpene treffer.

Trenger et vannavstøtende materiale

Lars Egil Helseth forteller at det er to kjente metoder for å høste energi fra regn. Den ene går ut på å bruke piezoelektriske elementer. Det bygger på at det oppstår elektriske ladninger når krystaller blir utsatt for trykk. Prinsippet brukes for eksempel i grilltennere. Metoden har vært testet ut i regnceller, men det er bare bittelitt strøm som lages.

Den andre metoden utnytter det som kalles triboelekrisitet. Triboelektrisitet oppstår når to forskjellige materialer med spesielle egenskaper kommer i kontakt med hverandre og så blir tatt fra hverandre. Det er grunnen til at du kan gni en ballong på hodet og få den til å feste seg i taket.

Det er dette fenomenet som forskerne fra Hong Kong har utnyttet.

De laget en innretning der vanndråper faller ned på en glassflate.

Oppå glasset er det et tynt lag PTFE, også kjent som teflon. Det er et materiale med lav friksjon som brukes i stekepanner. Teflon er veldig vannavstøtende.

– Når en dråpe treffer et materiale som er vannavstøtende, så vil det genereres en ladning på grunn av kontakten mellom dråpe og materialet, sier Helseth.

Det metalliske materialet indiumtinnoksid ligger under laget med teflon og fungerer som en elektrode. I tillegg er det en aluminium-elektrode oppå plata.

Når vannet brer seg over overflaten fungerer det som en bro mellom elektrodene og det dannes en lukket elektrisk krets.

Ladet opp systemet først

I den nye studien har forskerne gjort to ting som er nytt.

De har flyttet den ene elektroden fra undersiden, til oversiden. Så har de ladet opp systemet først.

– Det gjorde de ved å dryppe tusenvis av dråper på cellen. For hver dråpe så ble litt ladning lagret i metallelektrodene, sier Helseth.

Så når systemet hadde nådd et metningspunkt, kunne hver dråpe gi mye effekt, i prinsippet så lenge det fortsatt regner.

Det blir litt som en demning, forklarer professoren. Hvis demningen er full og du tilsetter enda litt mer vann, så får du et stort skvulp.

– Et steg videre

Helseth tror den nye forskningen kan bringe feltet videre.

– Dette er interessant og en stor utvikling fra tidligere.

Han forteller at hvis en mobiltelefon bruker 1 - 5 watt for å drives, så vil du i teorien kunne lyse opp denne med 0,1 kvadratmeter med de nye regncellene.

– Hvis du har et ark med en sånn celle så vil det være nok til å drive småelektronikk eller små sensorer. Det er noe man ikke har kunnet gjøre tidligere fordi hver dråpe generer så lite effekt, altså energi per tid.

– Med denne teknologien så har man kommet et viktig steg videre. Men det er mye som står igjen.

For eksempel er ikke teknologien testet utendørs på ekte regndråper sier han.

Kan vi få regnceller på taket?

– Tror du det blir mulig å ha regnceller på taket sitt i fremtiden?

– Kanskje i kombinasjon med solceller. Det tror jeg er en god idé. Slik kan man utnytte energiressursene optimalt.

Det går an å legge en tynn film utenpå solcellene slik at de også kan generere strøm fra regn.

Men teknologien bør bli mer effektiv først.

I den nye studien klarte forskerne å utnytte 2,2 prosent av energipotensialet i regndråpene.

– 2,2 prosent er langt unna det vi ønsker, vi ønsker minst 10 ganger mer, sier Helseth.

For å unngå at lysene i stua blinker, må energien først akkumuleres i et batteri eller en kondensator. Med den nye teknologien ville man kunne lade opp batteriet raskere når systemet først er ladet opp. Men det vil ta en stund før nok regndråper har falt ned på cellene.

Så må man sikre at teflon eller andre materialer ikke står ute i naturen og slites og avgir mikroplast. Molekylene brytes svært sakte ned.

– Vi ønsker å bruke noe annet, sier Helseth. Noe som er fornybart og har minst mulig innflytelse på ressurser og natur.

For eksempel fornybare materialer laget av alger.

Det teflon-lignende stoffet FEP som hel film eller ett helt stykke slites ikke særlig opp i partikler når det står ute. Det samme gjelder teflon som er lagd som filmstykker. Dersom man derimot bruker teflon i partikkelform er den mer porøs og kan lettere sprekke opp. Det er et et slikt materiale som forskerne har brukt i den nye studien.

– Dette er noe man bør finne ut av før et slikt system kan bli aktuelt å ta i bruk ute, sier Helseth.

Referanse:

Wanghuai Xu, m.fl: «A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density», Nature, 5. februar 2020. Sammendrag.