Электричество из воздуха

Трибоэлектрический эффект от «трения» материалов окружает нас в быту, но до сих пор остаётся научной загадкой. Хотя она изучается тысячи лет, всё ещё нет фундаментального понимания, как происходит перенос заряда. Не до конца понятны отдельные аспекты феномена:

• Непонятно, как происходит перенос заряда при контакте с диэлектриком. Некоторые исследователи утверждают, что в данном случае происходит перенос ионов или мелких частиц материала.

• Отсутствует физическая модель трибоэлектричества. Многочисленные эксперименты показали, что на трибоэлектрификацию оказывают влияние условия окружающей среды, такие как температура, относительная влажность, давление и внешние электрические поля. Но общей модели нет.

• Отсутствует воспроизводимость трибоэлектрического ряда:

  

  Два эксперимента с использованием одних и тех же материалов могут привести к различным результатам. Более того, трибоэлектрические ряды не полностью объясняют электрификацию между химически идентичными поверхностями. Заряд наблюдался, когда два кусочка одного и того же материала неоднократно соприкасались друг с другом: поверхность одного приобрела положительный заряд, а другого — отрицательный.

Трибоэлектричество на Марсе

В 2025 году учёные впервые обнаружили разряды статического электричества на Марсе, проанализировав аудиоданные с микрофона SuperCam ровера «Персеверанс». За два марсианских года микрофон записал 55 характерных трибоэлектрических разрядов около пылевых вихрей и бурь, а также из-за разряда между корпусом марсохода и поверхностью Марса — искровой разряд на 40 см, когда ровер накопил большой статический заряд, переданный ему пылинками.

Трибоэлектрический эффект хорошо известен на Земле — он порождает электрические поля с напряжённостью несколько сотен вольт на метр, вызывает молнии и извержения вулканов. На Марсе атмосфера более разреженная, сухая, ветреная, с повышенной пылевой активностью и более низким приповерхностным давлением, так что статические разряды возникают легче, чем на Земле.

Зафиксированные разряды — это искры, возникающие между заряжёнными частицами пыли в атмосфере. Когда две поверхности соприкасаются или скользят друг мимо друга — одна поверхность заряжается положительно, а другая — отрицательно, трение отбирает электроны у одних частиц и передаёт другим:

В конечном итоге электрический потенциал становится достаточно сильным, чтобы преодолеть сопротивление атмосферы — и заряд перескакивает между частицами в крошечных электрических дугах длиной несколько сантиметров, сопровождаясь звуковой ударной волной.

Статическое электричество в атмосфере Земли влияет на климат и порождает разные химические процессы. Есть теория, что и зарождение жизни на Земле произошло при помощи электрических разрядов из атмосферы (первичный бульон, гипотеза Опарина — Холдейна). Как видим, на Марсе трибоэлектричество проявляет себя ещё активнее, чем на Земле.

Удивительно, что после тысяч лет научных исследований электростатическое взаимодействие остаётся старейшей нерешённой проблемой в физике.

Трибоэлектрические генераторы

Несмотря на ограниченное понимание трибоэлектричества, исследователи переходят к его использованию. Даже без полного понимания механизма электростатику можно настроить для полезных приложений.

В некоторых материалах учёные могут «отключить» электростатическое притяжение, изменив химию частиц или их морфологию для создания антистатических покрытий.

В других случаях трибоэлектрическая зарядка используется для создания структур из гетерогенных строительных блоков. Например, два миллиметровых шарика с различным составом полимеров встряхивают над проводящей подложкой — и один полимер заряжается отрицательно, а другой положительно. Через некоторое время притяжение приводит к образованию шахматной решётки.

Точная самосборка частиц размером от нанометров до микрометров имеет значение для разработки реагирующих материалов, биоаналитических устройств, эффективных солнечных панелей и трибоэлектрических наногенераторов. На Хабре уже упоминали про самодельные трибоэлектрические генераторы, которые может смастерить любой желающий. Такой генератор преобразует окружающую кинетическую энергию в электричество. Это можно использовать для автономного питания датчиков в устройствах IoT.

Электричество из воздуха. Влажностно-индуцированная генерация

В 2020 году микробиологи и физики из университета Массачусетса в Амхерсте разработали специализированный материал из белковых нанопроводов, который извлекает электричество из воздуха. Материал был очень экзотическим, выращенным из бактерии Geobacter sulfurreducens:

Но вскоре учёные поняли, что для сбора электричества из влажного воздуха подходит практически любой материал с нанопорами. Описание «эффекта Air-Gen» опубликовано в научной работе 2023 года.

«Воздух содержит огромное количество электричества, — говорит Джун Яо, доцент кафедры электротехники и компьютерной инженерии в Инженерном колледже университета и ведущий автор статьи. — Представьте облако, массу водяных капель. В них есть заряд, и в подходящих условиях облако может разрядиться в молнию, но мы не знаем, как надёжно захватить электричество из молнии. Но мы по сути создаём рукотворное облако небольшого масштаба, которое производит для нас электричество предсказуемо и непрерывно, так что его можно собирать».

Для производства «наногенератора» подходит любой материал, образующий сеть нанопор диаметром менее 100 нм. Это связано с параметром, известным как «средний свободный пробег» — расстояние, которое проходит молекула H₂O в воздухе, прежде чем столкнуться с другой такой же молекулой.

Нанопоры менее 100 нм пропускают молекулы от верхней к нижней части материала, при этом они часто сталкиваются с верхними краями пор. Это создаёт разность потенциалов практически в любой атмосфере, где присутствуют молекулы воды.

Идея проста, но её никогда раньше не использовали, и это открывает различные возможности. Генератор можно изготовить буквально из любого материала, предлагая широкий выбор для экономически эффективных и адаптируемых к окружающей среде конструкций:

Поскольку влажность присутствует даже в самой засушливой пустыне, сборщик энергии будет генерировать ток круглосуточно: в дождь и солнечную погоду, ночью, независимо от ветра.

Air-Gen решает ключевую проблему возобновляемой энергетики, которая работает только при определённых условиях. Здесь же никаких ограничений нет, кроме дефицита H₂O в атмосфере. Но такой дефицит на Земле сложно представить, ведь с глобальным потеплением температура океанов увеличивается, как и интенсивность испарения H₂O. Пока на планете есть океаны, молекулы воды обязательно будут присутствовать в атмосфере.

Хотя один лист Air-Gen выдаёт низкую плотность мощности, эти слои можно накладывать друг на друга без увеличения площади.

Добавим, что некоторые материалы генерируют электрический разряд при деформации — флексоэлектричество и сегнетоэлектричество (ферроэлектрики). Как недавно выяснилось, таким свойством обладает лёд. Он тоже генерирует ток при изгибе, что может объяснить некоторые физические явления на Земле. Но эта тема выходит за рамки данной статьи.

Разнообразие исследований в области трибоэлектрической зарядки даёт результат. Хотя мы не до конца понимаем этот феномен и не имеем физической модели, но создаём реальные устройства, которые действительно генерируют энергию «из воздуха». Однако на величину и полярность генерируемого заряда по-прежнему сильно влияют непредсказуемые факторы окружающей среды, химия поверхности и локальные электрические поля.

Непредсказуемость и отсутствие физической модели — вот проблемы, которые ещё предстоит решить современной науке. Разработка надёжных трибоэлектрических технологий требует полного понимания процесса.