Vattenkraft är inget nytt och ungefär 70 procent av jordytan täcks av vatten. Men lågfrekvent kinetisk energi i vågor, tidvatten eller till och med regndroppar konverteras inte effektivt till el-energi på grund av tekniska begränsningar. En konventionell droppgenerator, baserad på triboelektrisk effekt, kan alstra elektricitet genom kontaktelektrifiering och elektrostatisk induktion när en droppe träffar en yta. Den laddning som genereras begränsas dock av gränsytans inverkan och effektiviteten när energin omvandlas blir ganska låg.

Men nu har en grupp forskare från City University of Hong Kong, eller CityU, utvecklat en ny form av elgenerator. De kallar den droplet-based electricity generator eller DEG och precis som namnet antyder kan den drivas av vattendroppar.

Det handlar om en liten, men mycket effektiv, generator som kan skapa tillräckligt med energi för att att driva 100 LED-lampor med en enda droppe kran-, regn-, eller havsvatten.

Det har tagit forskarteamet två år att utveckla DEG. Effekttätheten kan nå upp till 50,1 watt per kvadratmeter, tusentals gånger högre än med andra liknande enheter, utan att använda en fälteffekttransistor, eller FET.

Professor Wang från CityU påpekar att två avgörande faktorer ledde till uppfinningen. Först fann teamet att dropparna som i jämn ström landar på PTFE, ett elektretmaterial med en kvasi-permanent elektrisk laddning, uppvisar ett nytt sätt att ackumulera och lagra ytladdningar med hög densitet. När de kontinuerligt träffar ytan på PTFE ackumuleras de genererade ytladdningarna och gradvis uppnås en mättnad. Denna upptäckt är till hjälp för att lösa problemet med låg laddningstäthet.

En unik struktur, som liknar FET, spelar också en nyckelroll. Den härstammar från en innovation som ledde till ett Nobelpris i fysik 1956 och som är grundläggande för dagens elektroniska apparater. Enheten består av en aluminiumelektrod och en indium-tennoxid-elektrod, ITO, med en film av PTFE som ansvarar för att generera laddning samt för lagring och induktion. När en fallande vattendroppe träffar och sprider sig på ytan överbryggar den aluminium- och PTFE/ITO-elektroden och konverterar det ursprungliga systemet till en sluten krets.

Genom kontinuerlig dropptillförsel kan en hög densitet av ytladdningar ackumuleras på PTFE. När spridningsvattnet ansluter de två elektroderna kan samtidigt dessa lagrade laddningar frigöras helt för att generera elektrisk ström. Den omedelbara effektdensiteten och energiomvandlingseffektiviteten ökar kraftigt.

– Vår forskning visar att en droppe av 100 mikroliter, där en mikroliter är en miljondels liter, vatten som frigörs från en höjd av 15 centimeter kan generera över 140 volts spänning. En kraft som kan förse upp till 100 små LED-glödlampor med ström, säger professor Wang.

Ökningen av den omedelbara effekttätheten härrör från omvandling av kinetisk energi i själva vattnet.

– Den kinetiska energin från det droppande vattnet är ett resultat av tyngdkraften och kan betraktas som fri och förnybar. Den borde användas bättre, säger Wang.

Deras forskning visar också att en minskning i relativ luftfuktighet inte påverkar effektiviteten i kraftproduktionen. Dessutom kan både regnvatten och havsvatten användas för att generera el.

Professor Wang hoppas att forskningsresultaten ska fungera som ett svar på bristen av förnybar energi.

– Att producera kraft från regndroppar istället för olja och kärnenergi kan främja en hållbar utveckling.

Han tror att den nya lösningen, på sikt, kan appliceras och installeras på olika ytor där vätska samverkar med fast materia. På så vis kan den lågfrekventa kinetiska energin i vatten utnyttjas till fullo. Det kan röra sig om allt från skrovet på färjan, kustlinjen, till ytan på paraplyer eller till och med insidan av vattenflaskor.

Läs mer om forskningen i Nature.