Biasanya, apabila kita berfikir tentang pengeluaran tenaga di laut, kita bayangkan pelantar minyak gergasi, atau barisan turbin angin yang menjulang tinggi. Baru-baru ini, walaupun, panel solar terapung telah ditambah ke campuran, termasuk sebuah ladang suria yang terdiri daripada 160 ladang bola sepak yang beroperasi di China tahun lepas.
Sekarang, satu pasukan penyelidik di Columbia University mahu pergi lebih jauh. Mereka mengatakan bahawa ia mungkin menggunakan panel solar di permukaan laut untuk peranti kuasa yang boleh menghasilkan bahan api hidrogen dari air laut.
Hidrogen adalah satu bentuk tenaga bersih, tetapi ia paling biasa dihasilkan dari gas asli dalam proses yang juga mengeluarkan karbon dioksida, pemacu utama perubahan iklim. Para saintis Columbia mengatakan peranti mereka, yang dikenali sebagai elektrolisis fotovoltaik terapung, menghilangkan akibat itu dengan sebaliknya menggunakan elektrolisis untuk memisahkan oksigen dan hidrogen dalam molekul air, dan kemudian menyimpannya sebagai bahan bakar.
Ketua pasukan Daniel Esposito, seorang penolong profesor kejuruteraan kimia, menyatakan bahawa menggunakan elektrolisis komersial yang sedia ada untuk menjana hidrogen sangat mahal. "Jika anda mengambil panel solar dan elektrolisis yang tersedia secara komersial, dan anda menggunakan cahaya matahari untuk memecah air menjadi hidrogen dan oksigen, ia akan menjadi tiga hingga enam kali lebih mahal daripada jika anda menghasilkan hidrogen daripada gas asli, " dia cakap.
Beliau juga menyatakan bahawa mereka yang elektrolisis memerlukan membran untuk memastikan molekul oksigen dan hidrogen dipisahkan apabila mereka dibelah. Itu bukan sahaja menambah kos, tetapi bahagian-bahagian tersebut akan cenderung menurun dengan cepat apabila terdedah kepada bahan pencemar dan mikrob dalam air masin.
"Mampu membuktikan peranti yang boleh melakukan elektrolisis tanpa membran membawa kita satu langkah lebih dekat untuk membuat elektrolisis air laut mungkin, " kata Jack Davis, seorang penyelidik dan pengarang utama kajian bukti-konsep, dalam satu kenyataan. "Penjana bahan api suria ini adalah sistem fotosintesis pada dasarnya, melakukan perkara yang sama dengan tumbuhan dengan fotosintesis, jadi peranti kami boleh membuka semua jenis peluang untuk menjana tenaga yang bersih dan boleh diperbaharui."
Dua elektrod mesh dipegang pada jarak pemisahan yang sempit (L), dan menghasilkan gas H2 dan O2 secara serentak. Inovasi utama adalah penempatan asimetrik pemangkin pada permukaan luar yang menghadap ke permukaan mesh, sehingga penjanaan gelembung dibatasi ke rantau ini. Apabila gelembung gas terlepas, keapungan mereka menyebabkan mereka terapung ke ruang pengumpulan yang berasingan. (Daniel Esposito / Kejuruteraan Columbia) Menggelegak
Jadi, apa yang membuat elektrolisis mereka tersendiri?
Peranti ini dibina di sekeliling elektroda mesh titanium yang digantung di dalam air dan dipisahkan dengan jarak yang kecil. Apabila arus elektrik digunakan, molekul oksigen dan hidrogen dipecah, dengan bekas gelembung gas berkembang pada elektrod yang dikenakan secara positif, dan yang kedua melakukan yang sama pada satu dengan cas negatif.
Sangat penting untuk mengekalkan gelembung-gelembung gas yang berbeza ini, dan electrolyzer Columbia melakukan ini melalui penerapan pemangkin kepada hanya satu sisi setiap komponen mesh-permukaan paling jauh dari elektrod lain. Apabila gelembung menjadi lebih besar dan melepaskan dari mesh, mereka terapung di sepanjang tepi luar setiap elektrod daripada bercampur-campur bersama di ruang antara mereka.
Bukan sahaja para saintis dihindari menggunakan membran yang mahal, tetapi mereka juga tidak perlu memasukkan pam mekanikal yang digunakan oleh beberapa model untuk memindahkan cecair. Sebaliknya, peranti mereka bergantung pada keapungan untuk mengapungkan gelembung hidrogen ke dalam ruang penyimpanan. Dalam makmal, proses itu dapat menghasilkan gas hidrogen dengan kemurnian 99 peratus.
Alexander Orlov, seorang profesor sains bahan dan kejuruteraan kimia di Stony Brook University di New York, bersetuju bahawa penghapusan membran adalah satu perkembangan yang "besar". "Membran adalah titik lemah dalam teknologi, " katanya. "Terdapat beberapa penyelesaian yang lebih canggih, tetapi pendekatan Esposito sangat mudah dan praktikal. Ia telah diterbitkan dan dikaji semula dalam penerbitan kesan yang sangat tinggi, jadi walaupun kesederhanaannya, sains dan kebaharuan adalah pepejal."
Berpikir besar
Esposito dan Davis dengan mudah mengakui bahawa ia adalah lompatan besar dari model kecil yang diuji di makmal mereka kepada struktur yang besar yang dapat menjadikan konsep ini dapat dilaksanakan secara ekonomi. Ia mungkin perlu terdiri daripada ratusan ribu unit elektrolisis yang tersambung untuk menghasilkan jumlah bahan api hidrogen yang mencukupi dari laut.
Malah, kata Esposito, mungkin perlu membuat beberapa perubahan reka bentuk apabila projek semakin meningkat dan menjadi lebih modular, begitu banyak potongan yang boleh disesuaikan untuk menutup kawasan yang besar. Juga, mereka menghadapi cabaran mencari bahan-bahan yang boleh bertahan lama dalam air masin.
Yang berkata, kedua-dua percaya pendekatan mereka berpotensi mempengaruhi bekalan tenaga negara dengan cara yang bermakna. Hidrogen sudah banyak digunakan dalam industri kimia, misalnya, untuk membuat ammonia dan metanol. Dan, permintaan dijangka terus meningkat apabila lebih banyak pembuat auto berkomitmen untuk kereta yang berjalan di sel bahan bakar hidrogen.
(Kiri) Gambar prototaip PV-elektrolisis berdiri terapung dalam takungan cecair asid sulfurik. Sel-sel fotovoltaik yang diposisikan di atas "mini rig" menukar cahaya ke dalam elektrik yang digunakan untuk menggerakkan elektrolisis tanpa membuang di bawah. (Kanan) Rendering sebuah "solar fuel rig" berskala besar yang beroperasi di laut terbuka. ((Kiri) Jack Davis dan (kanan) Justin Bui / Kejuruteraan Columbia) Wawasan jangka panjang mereka adalah "rig bahan bakar solar" yang terapung di lautan, dan Esposito telah pergi sejauh menganggarkan berapa banyak kawasan kumulatif yang mereka perlukan untuk menampung untuk menghasilkan bahan api hidrogen yang mencukupi untuk menggantikan semua minyak yang digunakan di planet ini . Pengiraannya: 63, 000 batu persegi, atau kawasan yang sedikit kurang daripada negeri Florida. Kedengarannya seperti banyak lautan, tetapi dia menyatakan bahawa jumlah kawasan akan meliputi kira-kira .045 peratus dari permukaan air bumi.
Ia adalah sedikit unjuran pai-in-the-langit, tetapi Esposito juga memikirkan tentang tantangan dunia sebenar yang akan menghadapi operasi pengeluaran tenaga terapung yang tidak ditambat ke tempat tidur laut. Sebagai permulaan, terdapat gelombang besar.
"Sudah tentu, kita perlu merancang infrastruktur untuk pelantar ini supaya ia dapat menahan laut yang ribut, " katanya. "Ia sesuatu yang anda akan mengambil kira apabila anda berfikir di mana rig terletak."
Dan mungkin, dia menambah, kapal-kapal ini dapat bergerak keluar dari bahaya.
"Ada kemungkinan pelantar seperti ini bergerak. Sesuatu yang mungkin boleh berkembang, dan kemudian kontrak. Ia mungkin tidak dapat bergerak pantas, tetapi ia boleh bergerak keluar dari jalan ribut.
"Itu benar-benar bernilai, " katanya.
