한 연구팀이 비와 같이 떨어지는 물방울을 사용 가능한 전기로 변환하는 독창적인 방법을 발견했습니다. 작은 물방울을 좁은 수직 튜브로 유도하여 "푸시 흐름(push flow)"을 생성함으로써 놀라운 효율성으로 전하를 분리하고 에너지를 수확할 수 있었습니다. 이 간단한 장치는 기존 전하 분리 방법의 비효율성을 극복할 뿐만 아니라 12개의 LED를 켤 수 있는 충분한 전력을 생성합니다.
혁신적인 시스템은 옥상과 도시 환경에 적용할 수 있는 잠재력을 갖고 있어 수력 발전에 대한 지속 가능하고 저렴한 대안을 제공합니다.
두 물질이 접촉하면 표면의 전하가 이동합니다. 일반적인 예는 풍선이 피부에 닿을 때 생성되는 정전기입니다. 마찬가지로 물이 특정 표면 위로 흐를 때 전하를 얻거나 잃습니다. 이제 오늘(4월 16일) ACS Central Science에 보고된 연구자들은 얇은 튜브를 통해 흐르는 빗방울로부터 전기를 생성하기 위해 이 효과를 활용했습니다. 이 시스템은 12개의 LED 조명을 켜기에 충분한 전력을 생성합니다.
"수직 파이프를 통해 떨어지는 물은 푸시 흐름(push flow)이라는 특정 물 흐름 패턴을 통해 많은 양의 전기 에너지를 생성할 수 있습니다."라고 해당 연구의 교신 저자인 Siowling Soh가 말했습니다. "이 푸시 흐름 모델은 빗물 에너지를 포착하여 깨끗하고 재생 가능한 전기를 생산하는 데 사용할 수 있습니다."
이 그림과 그림에 표시된 것처럼 물은 폴리머로 코팅된 얇은 튜브를 통해 짧은 파열 또는 플러그로 흘러 전기를 생성합니다. 이미지 출처: ACS Central Science 2025, DOI: 10.1021/acscentsci.4c02110에서 수정됨
전통적인 수력 발전은 터빈을 구동하기 위해 많은 양의 물을 이동시키는 방식으로 작동합니다. 하지만 이것은 강과 같이 물이 많은 곳에서만 작동합니다. 더 작고 느린 흐름을 위해 연구자들은 전하 분리라는 대안을 모색했습니다. 전도성 표면이 있는 채널을 통해 물이 흐를 때 이 과정에서 전기가 생성됩니다. 그러나 이 방법은 물이 닿는 표면에만 전하가 축적되기 때문에 매우 비효율적이다.
효율성을 향상시키기 위해 과학자들은 표면적을 늘리기 위해 마이크론 및 나노 규모 채널을 사용해 보았습니다. 그러나 이러한 채널은 물이 쉽게 흐르기에는 너무 작으며, 이를 통해 물을 펌핑하는 데는 시스템이 생산할 수 있는 것보다 더 많은 에너지가 필요합니다. 이 문제를 해결하기 위해 Soh, Chi Kit Ao와 그들의 팀은 빗물이 자연스럽게 흐르도록 하는 더 큰 채널을 사용하여 전기를 생산하는 방법을 찾았습니다.
팀은 금속 바늘을 통해 타워 바닥에서 물이 흘러 빗방울 크기의 물방울을 높이 12인치(32센티미터), 너비 2밀리미터 수직 폴리머 튜브의 구멍에 뿌리는 간단한 장치를 설계했습니다. 물방울이 튜브 상단에서 정면으로 충돌하여 플러그 흐름(기포로 채워진 짧은 물 기둥)을 만듭니다. 물이 튜브를 통해 흐를 때 전하가 분리됩니다. 그런 다음 물은 튜브 아래 컵에 수집됩니다. 전기 에너지는 튜브 상단과 컵에 배치된 전선을 통해 수집됩니다.
푸시 플로우 시스템은 파이프를 통해 흐르는 물의 에너지 중 10% 이상을 전기 에너지로 변환합니다. 지속적인 물 흐름과 비교하여 푸시 흐름에 의해 생성된 전기 에너지는 5배 더 높습니다. 테스트된 물방울 속도는 비보다 훨씬 느리기 때문에 연구원들은 이 시스템이 떨어지는 빗방울로부터 전기를 수확하는 데 사용될 수 있다고 믿습니다.
또 다른 실험에서 연구자들은 두 개의 파이프를 통해 흐르는 물이 동시에 또는 순차적으로 생산되는 에너지의 양을 두 배로 늘리는 것을 관찰했습니다. 이 정보를 이용해 그들은 4개의 파이프를 통해 물을 흘렸고, 이 장치는 20초 동안 12개의 LED 조명에 지속적으로 전원을 공급했습니다. 연구원들은 푸시 흐름 에너지가 수력 발전소보다 설치 및 유지 관리가 더 간단할 수 있으며 옥상과 같은 도시 공간에도 편리할 수 있다고 말합니다.
/ScitechDaily에서 편집됨