Föreställ dig enheter som fångar elektricitet från luften - ungefär som solceller fångar solljus - och använder dem för att tända ett hus eller ladda en elbil. Föreställ dig att använda liknande paneler på hustaken för att förhindra blixtnedslag innan det bildas. Hur konstigt det än låter, är forskare redan i ett tidigt skede av att utveckla sådana enheter, enligt en rapport som presenterades vid American Chemical Societys (ACS) 240:e nationella möte.
"Vår forskning kan bana väg för att förvandla elektricitet från atmosfären till en alternativ energikälla för framtiden", säger studieledaren Fernando Galembeck, Ph. D. Hans forskning kan hjälpa till att förklara en 200 år gammal vetenskaplig gåta om hur elektricitet produceras och släpps ut i atmosfären. "Precis som solenergi kan befria vissa hushåll från att betala elräkningar, kan denna lovande nya energikälla ha en liknande effekt", hävdade han.
"Om vi vet hur elektricitet byggs upp och sprids i atmosfären kan vi också förhindra dödsfall och skador orsakade av blixtnedslag", sa Galembeck och noterade att blixtar orsakar tusentals dödsfall och skador över hela världen och miljontals dollar i egendomsskada.
Föreställningen om att utnyttja kraften i elektricitet som bildas naturligt har retat forskare i århundraden. De märkte att gnistor av statisk elektricitet bildades när ånga strömmade ut från pannor. Arbetare som rörde vid ångan fick till och med smärtsamma elektriska stötar. Den berömda uppfinnaren Nikola Tesla var till exempel bland dem som drömde om att fånga och använda elektricitet från luften. Det är den elektricitet som till exempel bildas när vattenånga samlas på mikroskopiska partiklar av damm och annat material i luften. Men hittills saknade forskare adekvat kunskap om processerna som är involverade i bildandet och frigörandet av elektricitet från vatten i atmosfären, sa Galembeck. Han är vid University of Campinas i Campinas, SP, Brasilien.
Forskare trodde en gång att vattendroppar i atmosfären var elektriskt neutrala och förblev så även efter att de kommit i kontakt med de elektriska laddningarna på dammpartiklar och droppar av andra vätskor. Men nya bevis tyder på att vattnet i atmosfären verkligen tar upp en elektrisk laddning.
Galembeck och kollegor bekräftade den idén med hjälp av laboratorieexperiment som simulerade vattnets kontakt med dammpartiklar i luften. De använde små partiklar av kiseldioxid och aluminiumfosfat, båda vanliga luftburna ämnen, vilket visade att kiseldioxid blev mer negativt laddad i närvaro av hög luftfuktighet och aluminiumfosfat blev mer positivt laddat. Hög luftfuktighet betyder höga nivåer av vattenånga i luften ― ångan som kondenserar och blir synlig som "dimma" på fönster i luftkonditionerade bilar och byggnader under ångande sommardagar.
"Detta var ett tydligt bevis på att vatten i atmosfären kan ackumulera elektriska laddningar och överföra dem till andra material som det kommer i kontakt med", förklarade Galembeck. "Vi kallar detta 'hygroelektricitet', vilket betyder 'fuktighetselektricitet'."
I framtiden, tillade han, kan det vara möjligt att utveckla kollektorer, liknande de solceller som samlar in solljuset för att producera elektricitet, för att fånga upp hygroelektricitet och dirigera den till hem och företag. Precis som solceller fungerar bäst i soliga områden i världen, skulle hygroelektriska paneler fungera mer effektivt i områden med hög luftfuktighet, som nordöstra och sydöstra USA och de fuktiga tropikerna.
Galembeck sa att ett liknande tillvägagångssätt kan hjälpa till att förhindra att blixtar bildas och slår ner. Han föreställde sig att placera hygroelektriska paneler ovanpå byggnader i regioner som ofta upplever åskväder. Panelerna skulle dränera elektricitet ur luften och förhindra uppbyggnaden av elektrisk laddning som frigörs i blixten. Hans forskargrupp testar redan metaller för att identifiera de som har störst potential att använda för att fånga atmosfärisk elektricitet och förhindra blixtnedslag.
"Det här är fascinerande idéer som nya studier av oss själva och av andra forskarlag föreslår nu är möjliga", sa Galembeck. "Vi har verkligen en lång väg att gå. Men fördelarna i det långa intervallet med att utnyttja hygroelektricitet kan vara betydande."
CNPq (National Council for Scientific and Technological Development) och FAPESP (The State of São Paulo Research Foundation) finansierade studien.
