Ποιά ειναι τελικά η δυναμική της μετάβασης στην ηλιακή ενέργεια? Ξεπεράσαμε την καμπή?

 Η δυναμική της μετάβασης στην ηλιακή ενέργεια

Ο ταχύς μετασχηματισμός του ενεργειακού συστήματος είναι απαραίτητος για να διατηρηθεί η αύξηση της θερμοκρασίας αρκετά κάτω από τους 2 °C, όπως ορίζεται στη συμφωνία του Παρισιού και ενισχύεται στο σύμφωνο της Γλασκώβης. Πολλές χώρες έχουν δεσμευτεί να επιτύχουν στόχους καθαρού μηδενικού ισοζυγίου έως το 2050 (συμπεριλαμβανομένης της ΕΕ, του Ηνωμένου Βασιλείου, της Ιαπωνίας, της Κορέας), του 2060 (Κίνα) ή του 2070 (Ινδία). Οι στόχοι μηδενικού ισοζυγίου εκπομπών προϋποθέτουν μαζική ανάπτυξη ενεργειακών τεχνολογιών μηδενικών ανθρακούχων εκπομπών, όπως η ηλιακή και η αιολική ενέργεια, πιθανώς σε συνδυασμό με τεχνολογίες αρνητικών εκπομπών1. Ωστόσο, η δυνατότητα των αρνητικών εκπομπών να αντισταθμίσουν τις θετικές εκπομπές παραμένει σχετικά περιορισμένη.

Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας θεωρούνται ιστορικά δαπανηρές και η ανάπτυξή τους απαιτεί υψηλές επιδοτήσεις ή φόρους άνθρακα. Ωστόσο, μετά από μια γόνιμη ιστορική διαδρομή καινοτομίας και παλαιότέρων πολιτικών για το κλίμα, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ανταγωνίζονται πλέον όλο και περισσότερο τα ορυκτά καύσιμα. Το αν οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας θα γίνουν η νέα κανονικότητα εξαρτάται όλο και περισσότερο από την ανάπτυξη της βιομηχανίας και του εμπορίου παρά από μια καθαρή κανονιστική αναγκαιότητα για την επίτευξη των προϋπολογισμών άνθρακα. Οι υπεύθυνοι χάραξης πολιτικής πρέπει επειγόντως να γνωρίζουν όχι μόνο εάν είναι δυνατό ένα μέλλον ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, αλλά και εάν υλοποιείται.

Μεταξύ 2010 και 2020, το κόστος των ηλιακών φωτοβολταϊκών μειωνόταν κατά 15% κάθε χρόνο, αντιπροσωπεύοντας ποσοστό τεχνολογικής μάθησης περίπου 20% ανά διπλασιασμό της εγκατεστημένης ισχύος⁸. Ταυτόχρονα, η εγκατεστημένη ισχύς αυξήθηκε κατά 25% ετησίως, προκαλώντας και εν μέρει λόγω αυτών των μειώσεων κόστους. Εν τω μεταξύ, η χερσαία αιολική ικανότητα αυξήθηκε κατά 12% ετησίως, με ποσοστό μάθησης 10% ανά διπλασιασμό της χωρητικότητας ^8,9. Εάν διατηρηθούν αυτοί οι ρυθμοί ταχείας συνεξέλιξης, η ηλιακή φωτοβολταϊκή και η αιολική ενέργεια φαίνονται έτοιμες να γίνουν αμετάκλητα οι κυρίαρχες τεχνολογίες ηλεκτρικής ενέργειας μέσα σε 1-2 δεκαετίες, καθώς το κόστος και ο ρυθμός ανάπτυξής τους υπολείπονται κατά πολύ όλων των εναλλακτικών λύσεων. Εάν συνέβαινε αυτό, ένα σημείο καμπής για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στον τομέα της ηλεκτρικής ενέργειας θα μπορούσε να είναι επικείμενο ή ακόμη και να έχει ήδη ξεπεραστεί, και οι τομείς πολιτικής και χρηματοδότησης θα πρέπει να προετοιμαστούν για μια ταχεία ανατρεπτική μετάβαση. Παρά τα στοιχεία αυτά, η κοινότητα των ενεργειακών μοντέλων δεν έχει ακόμη εντοπίσει αυτή τη δυνατότητα με κάποιο βαθμό συναίνεσης⁸, γεγονός που υποδηλώνει αντ' αυτού ότι τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας που κυριαρχούνται από ορυκτά καύσιμα πιθανότατα θα συνεχίσουν ως αποτέλεσμα της ανεπαρκούς τιμολόγησης του άνθρακα.

Το πρόβλημα του υψηλού κόστους για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας έχει μετατραπεί σε πρόβλημα εξισορρόπησης των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας, στο οποίο μεγάλες ποσότητες διαλείπουσας αιολικής και ηλιακής παραγωγής θέτουν προκλήσεις. Οι μπαταρίες διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην άμβλυνση αυτού του ζητήματος και παρουσιάζουν παρόμοιο υψηλό ποσοστό μάθησης¹⁰. Αυτό σημαίνει ότι το κόστος αποθήκευσης και διάχυσης ηλεκτρικής ενέργειας θα μπορούσε να ακολουθήσει συγκρίσιμη και συνδεδεμένη πορεία προς τα φωτοβολταϊκά τη δεκαετία του 2020.

Το αν η ηλιακή και η αιολική ενέργεια μπορούν να κυριαρχήσουν στα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας εξαρτάται από την ικανότητα της τεχνολογίας να ξεπεράσει μια σειρά εμποδίων. Αυτό περιλαμβάνει τον τρόπο αντιμετώπισης της εποχιακής διακύμανσης για την οποία οι μπαταρίες είναι ακατάλληλες 11. Το κόστος διαχείρισης μεγάλων ποσοτήτων διαλείπουσας λειτουργίας θα μπορούσε να αντισταθμίσει περαιτέρω μειώσεις κόστους σε ηλιακούς συλλέκτες και ανεμογεννήτριες, εμποδίζοντας την ταχεία διάδοσή τους¹². Η άνιση διαθεσιμότητα χρηματοδότησης για τη στήριξη επενδύσεων ηλιακής και αιολικής ενέργειας σε διάφορες χώρες¹³ μπορεί επίσης να αποτελέσει πρόβλημα. Οι αλυσίδες εφοδιασμού ενδέχεται να μην είναι επαρκώς προετοιμασμένες για μια τόσο ταχεία τεχνολογική ανάπτυξη¹⁴. Τέλος, η πολιτική αντίσταση σε περιοχές μείωσης της χρήσης ορυκτών καυσίμων ή του εμπορίου θα μπορούσε να περιορίσει την προθυμία των κυβερνήσεων να αγκαλιάσουν μια ηλιακή επανάσταση¹⁵.

Τα σχέδια απαλλαγής από τις εκπομπές άνθρακα σε ολόκληρο τον κόσμο απαιτούν την ευρεία ανάπτυξη πηγών ενέργειας μηδενικών εκπομπών άνθρακα έως το 2050 ή το 2060. Η ηλιακή ενέργεια είναι ο ευρύτερα διαθέσιμος ενεργειακός πόρος στη Γη και η οικονομική ελκυστικότητά της βελτιώνεται γρήγορα σε έναν κύκλο αυξανόμενων επενδύσεων. Εδώ χρησιμοποιούμε τεχνολογία υπό όρους βάσει δεδομένων και μοντελοποίηση οικονομικών προβλέψεων για να καθορίσουμε ποιες πηγές ενέργειας μηδενικού άνθρακα θα μπορούσαν να γίνουν κυρίαρχες παγκοσμίως. Διαπιστώνουμε ότι, λόγω των τεχνολογικών αξόνων που τέθηκαν σε κίνηση από την προηγούμενη πολιτική, μπορεί να έχει περάσει ένα παγκόσμιο μη αναστρέψιμο σημείο ανατροπής της ηλιακής ενέργειας, όπου η ηλιακή ενέργεια σταδιακά κυριαρχεί στις παγκόσμιες αγορές ηλεκτρικής ενέργειας, χωρίς περαιτέρω πολιτικές για το κλίμα. Ωστόσο, προκύπτουν αβεβαιότητες σχετικά με τη σταθερότητα του δικτύου σε ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας που κυριαρχείται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, τη διαθεσιμότητα επαρκούς χρηματοδότησης σε υπανάπτυκτες οικονομίες, την ικανότητα των αλυσίδων εφοδιασμού και την πολιτική αντίσταση από περιοχές που χάνουν θέσεις εργασίας. Οι πολιτικές για την άρση αυτών των φραγμών μπορεί να είναι πιο αποτελεσματικές από τα μέσα τιμολόγησης για την επιτάχυνση της μετάβασης στην καθαρή ενέργεια.

 

Προς ένα νέο βασικό σενάριο

Μετά την πρόσφατη πρόοδο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, οι βασικές γραμμές προβλέψεων που κυριαρχούνται από ορυκτά καύσιμα δεν είναι πλέον ρεαλιστικές. Εδώ, εστιάζουμε στη συν-εξελισσόμενη δυναμική της διάχυσης και της καινοτομίας για να προβάλουμε τη μεσοπρόθεσμη έως μακροπρόθεσμη τροχιά διάχυσης 24 τεχνολογιών ισχύος.

Οι τεχνολογικές τροχιές έχουν συνήθως αδράνεια στη διάδοσή τους που εξαρτάται από τον κύκλο ζωής τους, με χρόνο ημιζωής που κυμαίνεται μεταξύ 10 και 15 ετών για βραχύβιες μονάδες (αυτοκίνητα), 25-40 ετών για σταθμούς ορυκτών καυσίμων και 50-100 ετών για μακρόβιες υποδομές, όπως πυρηνικοί σταθμοί και υδροηλεκτρικά φράγματα³⁶. Αυτές οι μεγάλες διάρκειες ζωής εμποδίζουν τις τεχνολογικές τροχιές να αλλάξουν κατεύθυνση απότομα. Αυτός ο χρόνος αυτοσυσχέτισης προς την κατεύθυνση της εξέλιξης (ή ο βαθμός αδράνειας) υποδηλώνει ότι η τεχνολογική πρόβλεψη του ενεργειακού συστήματος που περιορίζεται από την παρατηρούμενη διάχυση και τις τροχιές κόστους, όπως γίνεται εδώ, μπορεί να είναι αξιόπιστη μέσα σε τουλάχιστον 15-20 χρόνια, με την επιφύλαξη ενός αυξανόμενου σφάλματος που συσσωρεύεται κατά τη διάρκεια του χρονικού διαστήματος προσομοίωση

Στο  παραπάνω  γράφημα   παρουσιάζεται το παγκόσμιο μερίδιο της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας 11 βασικών τεχνολογιών (συμπληρωματικό γράφημα 1 για περιφερειακή ανάλυση). Το τρέχον μείγμα ποικίλλει σε μεγάλο βαθμό. Μέχρι τα μέσα του αιώνα, σύμφωνα με το E3ME-FTT^[i], η ηλιακή φωτοβολταϊκή ενέργεια θα έχει κυριαρχήσει στο μείγμα, ακόμη και χωρίς πρόσθετες πολιτικές που υποστηρίζουν τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το κόστος της ηλιακής ενέργειας μειώνεται πολύ κάτω από το κόστος όλων των εναλλακτικών λύσεων, ενώ η μητρική βιομηχανική ικανότητα εφοδιασμού αυξάνεται ραγδαία. [Το E3ME είναι ένα μακροοικονομετρικό μοντέλο σχεδιασμένο για την αξιολόγηση των παγκόσμιων προκλήσεων πολιτικής. Χρησιμοποιείται ευρέως για σκοπούς αξιολόγησης πολιτικής, πρόβλεψης και έρευνας. Χρησιμοποιείται ειδικά για την αξιολόγηση της πολιτικής για το κλίμα και την ενέργεια. Το διεθνές εμπόριο αποτελεί σημαντικό μέρος της ανάλυσης. Έχει σχεδιαστεί για να αξιολογεί τόσο τις εθνικές όσο και τις παγκόσμιες προκλήσεις πολιτικής και να παρέχει αυξημένη βεβαιότητα στους υπεύθυνους λήψης αποφάσεων.Το FTT (Future Technology Transformations) είναι ένα μοντέλο αιχμής της διάχυσης της τεχνολογίας που εφαρμόζεται σε μια σειρά διαφορετικών ενεργειακών τομέων. Το FTT βασίζεται στη θεωρία της καινοτομίας και την εξελικτική δυναμική.]

Η κλίμακά του επεκτείνεται, λόγω της τρέχουσας ταχείας και εκθετικής τροχιάς διάχυσης και του συγκριτικά υψηλού ρυθμού μάθησης. Ακόμη και τα μερίδια αγοράς της χερσαίας και υπεράκτιας αιολικής ενέργειας στο παγκόσμιο μείγμα ηλεκτρικής ενέργειας αρχίζουν να μειώνονται γύρω στο 2030, ξεπερνώντας την ηλιακή. Αυτό οφείλεται στο χαμηλότερο ποσοστό εκμάθησης της αιολικής ενέργειας σε σύγκριση με την ηλιακή ενέργεια και στο αυξανόμενο χάσμα κόστους στο μοντέλο. Ωστόσο, η ξηρά συνεχίζει να αυξάνεται σε απόλυτους όρους μέχρι το 2040 και η ανοικτή θάλασσα μέχρι το τέλος της προσομοίωσης. Η συγκεντρωμένη ηλιακή ενέργεια αυξάνεται καθ' όλη τη διάρκεια της περιόδου, αλλά χωρίς στοχευμένη πολιτική το συνολικό μερίδιό της στο ενεργειακό μείγμα παραμένει μικρό, παρά το πλεονέκτημά της ως πηγή διανομής ηλεκτρικής ενέργειας.

Η τάση προς την κυριαρχία των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (Σχ. 2α) και ιδίως τα ηλιακά φωτοβολταϊκά (εικ. 2β) φαίνεται επικείμενη στην Κίνα και υστερεί στην Αφρική και τη Ρωσία. Η Αφρική υστερεί παρά το πολύ υψηλό τεχνικό δυναμικό και τη χαμηλή εποχικότητα. Η αργή υιοθέτηση μπορεί να αποδοθεί κυρίως σε μη χρηματικές πτυχές (ευελιξία δικτύου, εμπιστοσύνη στις νέες τεχνολογίες), γεγονός που απαιτεί περαιτέρω πτώση των τιμών κάτω από τις εναλλακτικές λύσεις προτού υπάρξει σημαντική υιοθέτηση. Αυτό συμβαίνει αφού η απορρόφηση από άλλες χώρες μειώνει περαιτέρω τις τιμές.

 

Χωρίς περαιτέρω αλλαγές στην ενεργειακή πολιτική, η ηλιακή ενέργεια φαίνεται να ακολουθεί μια ισχυρή τροχιά για να γίνει η μελλοντική κυρίαρχη πηγή ενέργειας πριν από τα μέσα του αιώνα. Λόγω της ενισχυτικής συνεξέλιξης του κόστους και της ανάπτυξης της τεχνολογίας, η ανάλυσή μας δημιουργεί ποσοτικά εμπειρικά στοιχεία, από τις τρέχουσες και ιστορικές τάσεις δεδομένων, ότι ένα σημείο καμπής της ηλιακής ενέργειας είναι πιθανό να έχει περάσει. Μόλις το συνδυασμένο κόστος της ηλιακής ενέργειας και της αποθήκευσης ξεπεράσει την ισοτιμία κόστους με όλες τις εναλλακτικές τεχνολογίες σε αρκετές βασικές αγορές, η ευρεία ανάπτυξή της και η περαιτέρω μείωση του κόστους παγκοσμίως θα μπορούσαν να καταστούν μη αναστρέψιμες. Αυτό απηχεί τα αποτελέσματα από τον Way et al., ο οποίος απέδειξε ότι μια τέτοια διαμόρφωση θα ήταν φθηνότερη από τις εναλλακτικές λύσεις.

Ωστόσο, ένα σημείο καμπής προς την ηλιακή κυριαρχία δεν επιλύει τον μετριασμό της κλιματικής αλλαγής ούτε επιτυγχάνει τους κλιματικούς στόχους, καθώς δεν διασφαλίζει ένα ενεργειακό σύστημα μηδενικών εκπομπών άνθρακα. Τα ηλιακά συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας θα μπορούσαν να εγκλωβιστούν σε διαμορφώσεις που δεν είναι ούτε ανθεκτικές ούτε βιώσιμες με εξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα για διανεμήσιμη ενέργεια. Τα ζητήματα που θα μπορούσαν να εμποδίσουν την επίτευξη ενεργειακών συστημάτων μηδενικών εκπομπών άνθρακα περιλαμβάνουν ζητήματα σταθερότητας δικτύου, τη διαθεσιμότητα χρηματοοικονομικού κεφαλαίου και κρίσιμων ορυκτών και την προθυμία των υπευθύνων λήψης αποφάσεων να συμμετάσχουν σε μια ταχεία μετάβαση που θα μπορούσε να δημιουργήσει σημαντικά ζητήματα διανομής στις αντίστοιχες περιοχές τους. Η ενεργειακή κρίση που προέκυψε από τον πόλεμο στην Ουκρανία υποδηλώνει ότι η επιταχυνόμενη απομάκρυνση από τα ορυκτά καύσιμα είναι ακόμη πιο επιτακτική.

Καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η επίτευξη συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας μηδενικών εκπομπών άνθρακα πιθανότατα απαιτεί πολιτικές διαφορετικού είδους από αυτές που παραδοσιακά συζητούνται από την κοινότητα ενεργειακών μοντέλων. Η τιμή του άνθρακα που απαιτείται για την επίτευξη ισοσκέλισης κόστους μεταξύ ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και ορυκτών καυσίμων μπορεί σύντομα να είναι μηδενική. Αντ 'αυτού, είναι οι πολιτικές που αντιμετωπίζουν τα παραπάνω εμπόδια - ανθεκτικότητα στο δίκτυο, πρόσβαση στη χρηματοδότηση, διαχείριση των αλυσίδων εφοδιασμού υλικών και πολιτική αντιπολίτευση - που μπορούν να επιτρέψουν την επιτυχία στην επίτευξη καθαρών μηδενικών εκπομπών ενέργειας.

Το σταθμισμένο κόστος ηλεκτρικής ενέργειας  (LCOE) είναι ένα μέτρο του μέσου καθαρού παρόντος κόστους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για μια γεννήτρια κατά τη διάρκεια ζωής της. Χρησιμοποιείται για τον προγραμματισμό επενδύσεων και για τη σύγκριση διαφορετικών μεθόδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε σταθερή βάση.

Ο γενικότερος όρος σταθμισμένο κόστος ενέργειας μπορεί να περιλαμβάνει το κόστος είτε της ηλεκτρικής ενέργειας είτε της θερμότητας. Το τελευταίο αναφέρεται επίσης ως  σταθμισμένο κόστος θερμότητας ή σταθμισμένο κόστος θέρμανσης (LCOH) ή  σταθμισμένο κόστος θερμικής ενέργειας.

Το LCOE «αντιπροσωπεύει το μέσο έσοδο ανά μονάδα παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας που θα απαιτούνταν για την ανάκτηση του κόστους κατασκευής και λειτουργίας ενός σταθμού παραγωγής κατά τη διάρκεια ενός υποτιθέμενου οικονομικού κύκλου ζωής και λειτουργίας» και υπολογίζεται ως ο λόγος του συνόλου του προεξοφλημένου κόστους κατά τη διάρκεια ζωής ενός σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας διαιρούμενου διά ενός προεξοφλημένου αθροίσματος των πραγματικών ποσοτήτων ενέργειας που παραδίδονται. Οι είσοδοι στο LCOE επιλέγονται από τον εκτιμητή. Μπορούν να περιλαμβάνουν  το κόστος κεφαλαίου, τον παροπλισμό, το κόστος καυσίμων, το σταθερό και μεταβλητό κόστος λειτουργίας και συντήρησης, το κόστος χρηματοδότησης και ένα υποτιθέμενο ποσοστό χρήσης.

Πηγή: The momentum of the solar energy transition,Femke J. M. M. Nijsse, Jean-Francois  Mercure, Nadia Ameli,Francesca Larosa,Sumit Kothari,Jamie Rickman,Pim Vercoulen &Hector Pollitt, Οκτώβριος 2023

https://www.nature.com/articles/s41467-023-41971-7

---

[i]Environmental impact assessment for climate change policy with the simulation-based integrated assessment model E3ME-FTT. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211467X18300129

 

 

Παραγωγη ηλεκτρικού ρεύματος απο καθαρό αέρα.

Ερευνητές παράγουν καθαρό ηλεκτρικό ρεύμα από  τον αέρα

Μια ερευνητική ομάδα από τις ΗΠΑ κάνει μια ανακάλυψη που αξίζει να αναπτυχθεί περαιτέρω: Μια λεπτή μεμβράνη μπορεί να παράγει καθαρή ηλεκτρική ενέργεια από τον αέρα.

Amherst - Σε περιόδους κλιματικής αλλαγής, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αποτελούν σημαντικό θέμα. Αλλά η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω της ηλιακής ενέργειας ή της αιολικής ενέργειας έχει ένα σημαντικό μειονέκτημα: η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται μόνο όταν ο ήλιος λάμπει ή φυσάει άνεμος. Μια ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης στο Άμχερστ παρουσίασε τώρα μια δυνατότητα που θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Η ομάδα γύρω από τον Xiaomeng Liu ανακάλυψε το λεγόμενο " generic Air-gen effect ". "Ο αέρας περιέχει τεράστια ποσότητα ηλεκτρισμού", εξηγεί ο συν-συγγραφέας Jun Yao. "Σκεφτείτε ένα σύννεφο, το οποίο δεν είναι τίποτα περισσότερο από πολλά σταγονίδια νερού. Κάθε μία από αυτές τις σταγόνες έχει ένα φορτίο και αν οι συνθήκες είναι κατάλληλες, το σύννεφο μπορεί να προκαλέσει ένα κεραυνό", συνεχίζει. "Δεν ξέρουμε πώς να συλλάβουμε αξιόπιστα την ενέργεια από τους κεραυνούς. Ωστόσο, αναπτύξαμε ένα μικρό σύννεφο που παράγει ενέργεια προβλέψιμα και συνεχώς για εμάς, ώστε να μπορούμε να τη συλλέξουμε", εξηγεί ο Yao σε ανακοίνωση που εξέδωσε το πανεπιστήμιό του.

Πριν από μερικά χρόνια, η ομάδα είχε ήδη αναπτύξει μια συσκευή που μπορεί να παράγει ενέργεια από τον αέρα. Η καρδιά του τεχνητού νέφους εξαρτάται από αυτό που ο Yao και οι συνάδελφοί του αποκαλούν «γενικό φαινόμενο Air-gen» και βασίζεται σε εργασίες που ο Yao και ο συν-συγγραφέας Derek Lovley, διακεκριμένος καθηγητής μικροβιολογίας στο UMass Amherst, είχαν ολοκληρώσει προηγουμένως το 2020, δείχνοντας ότι η ηλεκτρική ενέργεια θα μπορούσε να συλλέγεται συνεχώς από τον αέρα χρησιμοποιώντας ένα εξειδικευμένο υλικό κατασκευασμένο από πρωτεϊνικά νανοκαλώδια που καλλιεργούνται από το βακτήριο Geobacter sulfurreducens.

Αυτό που συνειδητοποιήσαμε μετά την ανακάλυψη του Geobacter», λέει ο Yao, «είναι ότι η ικανότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον αέρα – αυτό που τότε ονομάσαμε «φαινόμενο Air-gen» – αποδεικνύεται γενική: κυριολεκτικά οποιοδήποτε είδος υλικού μπορεί να συλλέξει ηλεκτρική ενέργεια από τον αέρα, αρκεί να έχει μια συγκεκριμένη ιδιότητα».

Αυτό το μέσο; «Πρέπει να έχει τρύπες μικρότερες από 100 νανόμετρα (nm), ή λιγότερο από το ένα χιλιοστό του πλάτους μιας ανθρώπινης τρίχας».

Αυτό οφείλεται σε μια παράμετρο γνωστή ως «mean free path», την απόσταση που ταξιδεύει ένα μόνο μόριο μιας ουσίας, σε αυτή την περίπτωση του νερού στον αέρα, πριν προσκρούσει σε ένα άλλο μόριο της ίδιας ουσίας. Όταν τα μόρια νερού αιωρούνται στον αέρα, η μέση ελεύθερη διαδρομή τους είναι περίπου 100 nm.

Ο Yao και οι συνεργάτες του συνειδητοποίησαν ότι θα μπορούσαν να σχεδιάσουν μια μηχανή συγκομιδής ηλεκτρικής ενέργειας με βάση αυτόν τον αριθμό. Αυτή η θεριζοαλωνιστική μηχανή θα κατασκευαστεί από ένα λεπτό στρώμα υλικού γεμάτο με νανοπόρους μικρότερους από 100 nm που θα άφηναν τα μόρια νερού να περάσουν από το πάνω στο κάτω μέρος του υλικού. Αλλά επειδή κάθε πόρος είναι τόσο μικρός, τα μόρια του νερού θα προσέκρουαν εύκολα στην άκρη του πόρου καθώς περνούν μέσα από το λεπτό στρώμα. Αυτό σημαίνει ότι το πάνω μέρος του στρώματος θα βομβαρδιζόταν με πολύ περισσότερα μόρια νερού που μεταφέρουν φορτίο από το κάτω μέρος, δημιουργώντας μια ανισορροπία φορτίου, όπως αυτή σε ένα σύννεφο, καθώς το πάνω μέρος αύξησε το φορτίο του σε σχέση με το κάτω μέρος. Αυτό θα δημιουργούσε αποτελεσματικά μια μπαταρία - μια μπαταρία που λειτουργεί όσο υπάρχει υγρασία στον αέρα.

Το μυστικό για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον αέρα; Νανοπόροι. Φωτογραφια: Derek Lovley/Ella Maru Studio

«Η ιδέα είναι απλή», λέει ο Yao, «αλλά δεν έχει ανακαλυφθεί ποτέ πριν, και ανοίγει κάθε είδους δυνατότητες». Η θεριστική μηχανή θα μπορούσε να σχεδιαστεί κυριολεκτικά από όλα τα είδη υλικών, προσφέροντας ευρείες επιλογές για οικονομικά αποδοτικές και προσαρμόσιμες στο περιβάλλον κατασκευές. “You could image harvesters made of one kind of material for rainforest environments, and another for more arid regions.”

Και δεδομένου ότι η υγρασία είναι πάντα παρούσα, η θεριστική μηχανή θα τρέξει 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα, βροχή ή ηλιοφάνεια, τη νύχτα και είτε φυσάει ο άνεμος είτε όχι, γεγονός που λύνει ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα τεχνολογιών όπως η αιολική ή η ηλιακή, οι οποίες λειτουργούν μόνο υπό ορισμένες συνθήκες.

Τέλος, επειδή η υγρασία του αέρα διαχέεται στον τρισδιάστατο χώρο και το πάχος της συσκευής Air-gen είναι μόνο ένα κλάσμα του πλάτους μιας ανθρώπινης τρίχας, πολλές χιλιάδες από αυτές μπορούν να στοιβάζονται το ένα πάνω στο άλλο, αυξάνοντας αποτελεσματικά την ποσότητα ενέργειας χωρίς να αυξάνεται το αποτύπωμα της συσκευής. Μια τέτοια συσκευή Air-gen θα είναι ικανή να παρέχει ισχύ επιπέδου κιλοβάτ για γενική χρήση ηλεκτρικής ενέργειας.

«Φανταστείτε έναν μελλοντικό κόσμο στον οποίο η καθαρή ηλεκτρική ενέργεια θα είναι διαθέσιμη οπουδήποτε κι αν πάτε», λέει ο Yao. «Το γενικό φαινόμενο Air-gen σημαίνει ότι αυτός ο μελλοντικός κόσμος μπορεί να γίνει πραγματικότητα».

Η έρευνα αυτή υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών, τη Sony Group, το Link Foundation και το Ινστιτούτο Εφαρμοσμένων Επιστημών Ζωής (IALS) στο UMass