Как дождь может питать городские системы: новый энергетический генератор

Учёные из Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) в Южной Корее разработали инновационную технологию, превращающую энергию падающих капель дождя в электричество. Новое устройство, созданное на основе углеродного композита, способно вырабатывать электрическую энергию непосредственно на крышах зданий и потенциально может использоваться для автоматического управления дренажными и предупреждающими системами в условиях ливней и наводнений — без привлечения внешнего источника питания.

Разработанный генератор называют S-FRP-DEG (Superhydrophobic Fiber-Reinforced Polymer Droplet-Based Electricity Generator). В основе устройства лежит композит из углеродного волокна, армированного полиэфирной матрицей (CFRP), материалом, который широко применяется в авиации, строительстве и лёгких конструкциях благодаря высокой прочности, стойкости к коррозии и малому весу.

Принцип работы генератора основан на явлении, близком к статическому электричеству. Падающая капля дождя несёт положительный электрический заряд, а поверхность устройства имеет отрицательный заряд. Когда капля касается поверхности и затем быстро отталкивается от неё, происходит перенос зарядов, который вызывает электрический ток вдоль углеродных волокон. Для улучшения эффективности поверхность композита была модифицирована с помощью текстурирования и суперводоотталкивающего покрытия, напоминающего листья лотоса. Это не только увеличивает площадь контакта с каплей, но и препятствует накоплению грязи и сажи на устройстве при его эксплуатации на открытом воздухе.

В лабораторных испытаниях одна капля объёмом около 92 микролитров производила до 60 вольт и несколько микроампер тока, что хоть и мало для крупных потребителей, но достаточно для питания маломощных электронных элементов или систем диагностики. При последовательном соединении нескольких устройств система могла кратковременно запитать 144 светодиодные лампы, что демонстрирует потенциал масштабирования технологии.

Кроме генерации электричества, технология была протестирована как датчик осадков в реальном времени: при увеличении интенсивности дождя частота и сила электрических сигналов увеличивались, что позволяло системе различать слабый, умеренный и сильный дождь и автоматически активировать насосы для отведения воды. Такая интеграция может повысить эффективность управления дренажными системами в городах и снизить риск затопления при проливных ливнях без необходимости подключения к внешней электросети.

Авторы работы подчёркивают, что использование углеродного композита решает одну из ключевых проблем ранних прототипов подобных генераторов — коррозию металлических элементов под воздействием дождевой воды и загрязнений. Лёгкость и стойкость материала делают технологию перспективной для установки на крышах зданий, мостах и других конструкциях городской инфраструктуры.

По словам руководителя проекта, профессора Пака Ён-бина, такая система может не только способствовать управлению городскими гидротехническими процессами, но и в перспективе стать источником питания для автономных датчиков и устройств в сфере мобильности, включая автомобили и летательные аппараты, где композиты уже широко используются.

Описание технологии опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.