소금을 이용해 청정에너지를 생산하는 작은 장치

출처: stock_colors/iStock

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인간의 머리카락보다 작은 새로운 장치는 바닷물과 민물의 염분 차이를 이용해 전기를 생산할 수 있습니다. 이는 세계 해안선을 따라 새로운 청정 에너지원이 될 수 있습니다.

일리노이 대학교 어바나-샴페인(University of Illinois Urbana-Champaign) 연구팀은 나노 에너지(Nano Energy) 저널에 염 이온의 흐름을 전력으로 변환할 수 있는 장치 설계를 보고했습니다. 이 장치는 나노 크기의 반도체 재료로 만들어졌으며 "쿨롱 항력"이라는 현상을 사용하여 작동합니다. 연구팀은 그들의 장치가 바닷물과 담수의 경계에서 자연 염분 구배로부터 에너지를 수확하는 데 사용될 수 있다고 생각합니다.

프로젝트의 리더이자 전기 및 컴퓨터 공학 교수인 Jean-Pierre Leburton은 그들의 디자인이 현 단계에서는 여전히 개념이지만 매우 다재다능하고 에너지 응용 분야에 큰 잠재력을 보여주었다고 말했습니다. 그는 '나노 규모의 고체 장치가 이온 흐름에서 에너지를 추출할 수 있을까?'라는 학문적 질문에서 시작했다고 말했습니다. – 하지만 그들의 디자인은 여러 면에서 그들을 놀라게 했습니다.

강 어귀처럼 바닷물과 민물이 만나면 소금 분자는 자연적으로 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동합니다. 소금 분자는 이온이라고 불리는 전기를 띤 입자로 구성되어 있기 때문에 이러한 움직임을 통해 전기를 생성할 수 있습니다.

학점: 일리노이 대학교 어바나-샴페인 대학교 그레인저 공과대학

Leburton의 그룹은 이온이 흐르는 좁은 채널을 갖는 장치를 설계했습니다. 장치 내 이온과 전하 사이의 전기적 힘으로 인해 전하가 한쪽에서 다른 쪽으로 이동하여 전압과 전류가 생성됩니다.

연구의 주요 저자이자 Leburton 그룹의 대학원생인 Mingye Xiong은 장치를 시뮬레이션할 때 두 가지 예상치 못한 동작을 발견했다고 말했습니다. 그는 전기력이 인력이든 반발력이든 관계없이 장치가 똑같이 잘 작동한다는 것을 발견했다고 말했습니다. 그는 또한 양이온과 음이온 모두 항력에 기여한다고 말했습니다.

Xiong은 또한 증폭 효과가 있다고 말했습니다. 그는 이온이 장치의 전하보다 훨씬 무거워서 많은 운동량을 전하로 전달하여 기본 전류를 증가시킨다고 설명했습니다.

연구진은 또한 채널이 이온과 전하 사이의 근접성을 보장할 만큼 충분히 좁다면 이러한 효과는 채널의 특정 모양이나 재료 선택에 의존하지 않는다는 것을 발견했습니다.

연구원들은 연구 결과에 대한 특허를 취득하는 과정에 있으며 더 많은 전력을 생산하기 위해 얼마나 많은 장치를 연결할 수 있는지 연구하고 있습니다.

Leburton은 장치 어레이의 전력 밀도가 태양 전지의 전력 밀도와 일치하거나 이를 초과할 수 있다고 믿었다고 말했습니다. 그는 또한 생체의학 센싱 및 나노유체공학과 같은 다른 분야에서의 잠재적인 응용에 대해서도 언급했습니다.

해당 연구는 Nano Energy 저널에 게재되었습니다.

나노유체 채널을 통해 흐르는 이온의 장거리 쿨롱 상호작용에 의해 유도된 도핑된 실리콘 막에서 전자 전류의 시작은 그린의 함수 기술과 볼츠만 수송 형식을 기반으로 하는 결합된 계산 및 분석적 접근법에 의해 확립됩니다. 개방 회로 전압과 단락 전류가 특징인 전자 쿨롱 드래그는 전력 수확을 위한 새로운 패러다임을 제공합니다. 또한, 우리 모델은 중이온에서 실리콘의 전하 캐리어로의 큰 운동량 전달로 인해 이온 항력 전류의 전류 증폭을 예측합니다. 이는 반도체의 도펀트 유형에 관계없이 나노채널에 흐르는 음이온과 양이온 모두에 대해 달성됩니다. 분석은 전해질 및 반도체 재료의 특성과 관련하여 이 효과의 다양성을 나타내며 구조 및 설계 구성의 적절한 조정을 제공합니다.