В основе технологии лежат так называемые влагоэлектрические генераторы (moisture-electric generators, MEG). Их принцип напоминает миниатюрную водяную электростанцию, только вместо реки здесь работает невидимый поток молекул воды из воздуха.
Каждый элемент нового материала представляет собой квадрат размером 2 × 2 см. Его разделили на несколько функциональных зон.
По краям находится глицерин — вещество, которое активно поглощает водяной пар из воздуха. Вода затем перемещается к центральной части, где расположен полимер поливинилпирролидон (PVP). Он удерживает воду сильнее, а структура бумаги в этой области помогает направлять ее движение внутрь.
В центре бумага обработана воском. Он работает как своеобразный клапан: жидкая вода не проходит через него, но водяной пар может выходить наружу. В результате возникает однонаправленный поток: вода поступает из воздуха по краям, перемещается через бумагу к центру и покидает материал в виде пара.
Именно этот постоянный градиент влажности позволяет получать электричество. Взаимодействие воды с компонентами бумаги способствует разделению и перемещению ионов, в результате между участками генератора возникает разность электрических потенциалов. Электроды собирают возникающий электрический ток.
Главное здесь — не просто способность бумаги впитывать воду. Если материал равномерно насытится влагой, градиент исчезнет и генерация ослабнет. Поэтому исследователи специально создали архитектуру, которая поддерживает движение воды в одном направлении.
Один элемент при относительной влажности 80% создавал около 0,34 В, а удельная мощность достигала примерно 2,2 мкВт/см². Авторы отмечают, что такой уровень мощности недостаточен для обычной бытовой техники, но подходит для устройств с очень низким энергопотреблением — например, датчиков окружающей среды, беспроводных модулей и другой электроники интернета вещей.
Чтобы получить практически полезный результат, исследователи соединили 1596 генераторов в единый массив. Такая система смогла обеспечить работу беспроводной клавиатуры. При этом электрические соединения разместили с обратной стороны, чтобы поверхность можно было использовать как обычное настенное покрытие.
То есть речь пока не идет об обоях, которые позволят отключить квартиру от электросети. Их преимущество в другом: поверхность стены потенциально может одновременно быть элементом интерьера, осушителем воздуха и автономным источником микромощности.
У технологии есть еще одна необычная функция. В эксперименте большой массив генераторов снизил относительную влажность в помещении с 38 до 32%. Исследователи предполагают, что в будущем такие покрытия могут частично использоваться для управления микроклиматом помещений, одновременно производя небольшое количество энергии.
Пока до массового применения далеко. Разработчики использовали лабораторную бумагу и экспериментальную конструкцию, а долговечность такого покрытия и стабильность работы в течение длительного времени еще предстоит проверить. Кроме того, количество получаемой энергии остается очень небольшим. Но если научиться эффективно собирать эту энергию на больших площадях, стены, окна и другие поверхности зданий смогут превратиться в распределенную сеть маломощных автономных источников энергии.
