Solcellepaneler på tak produserer strøm til millioner av hjem verden over. Nå undersøker forskere ved Binghamton University om også innsiden av huset kan bidra med energi. I en studie omtalt i Advanced Energy Materials har de utviklet et tapetlignende materiale som omdanner fuktighet i inneluften til en liten elektrisk strøm.

Teknologien bygger på såkalte fuktighetselektriske generatorer. Slike enheter trekker energi ut av luftens fuktighet, men har hittil først og fremst vært testet utendørs. Der produserer de bare mikrowatt – milliondeler av en watt – per kvadratcentimeter, samtidig som temperatur, vind og luftfuktighet kan variere kraftig.

Stabil inneluft gir jevnere forhold

Seokheun Choi, som leder forskergruppen, peker på at innemiljøet kan være bedre egnet for teknologien.

«The problem is that it generates such small amounts of power, and the outdoor environment is not stable because of extreme sunlight or weather,» sier Choi. «The good thing about an indoor environment is that it maintains a very constant humidity between 30 and 60 percent, and the occupants’ activities like respiration, cooking, and bathing generate additional moisture.»

Forskerne brukte 340 mikrometer tykt Whatman 3 MM-papir i laboratoriet, ikke vanlig kommersielt tapet. Ledningene kan skjules på baksiden, mens 1 millimeter brede hull fylt med sølvmaling kobler sammen materialets to sider. Produksjonen kombinerer voksutskrift, airbrush, silketrykk og laserbearbeiding, og krever ikke et renrom. Målet er at hele prosessen etter hvert skal kunne tilpasses masseproduksjon.

Tre soner trekker vann gjennom papiret

Hver flis i tapetet måler 2 x 2 centimeter og består av tre soner. Ytterkanten inneholder glyserol, en seig væske som trekker til seg vanndamp fra luften og gjør den om til flytende vann i papiret.

Midtsonen består av polyvinylpyrrolidon, forkortet PVP. Materialet holder bedre på vannet og har mindre porer enn ytterkanten. Dermed trekkes vannet innover gjennom kapillærkraft – den samme effekten som får et tørkepapir til å suge opp væske.

Senteret er behandlet med voks. Voksen avviser flytende vann, men beholder små porer som slipper vanndamp gjennom. Vannet trekkes derfor inn fra kanten og fordamper ut gjennom midten. Denne kontinuerlige vanntransporten bidrar til å generere strøm.

Kjemiske grupper i glyserol, cellulose og PVP får vannet til å frigjøre protoner, altså hydrogenioner. Det finnes flere protoner ved kanten enn i sentrum, og denne forskjellen driver en strøm som samles opp av grafittelektroder.

Kan drive tastatur med hjelp fra en kondensator

Effekten er foreløpig moderat. Én flis produserte rundt 0,34 volt ved 80 prosent luftfuktighet, mens ti fliser koblet etter hverandre nådde omtrent 2,9 volt. En rekke på 35 fliser drev en fuktighetssensor i cirka 15 minutter.

Den største prototypen besto av 1 596 fliser og leverte 3,5 volt ved rundt 38 prosent luftfuktighet. Det var nok til å drive et trådløst tastatur ved hjelp av en kondensator, som lagrer ladning og slipper den ut i korte pulser. Studien oppgir imidlertid ikke hvor stor den samlede effekten var for denne veggprototypen.

Kan også fungere som fuktighetsbuffer

Papiret fungerer ikke bare som energikilde. Det kan også ta opp og avgi fuktighet, og dermed bidra til å regulere luftfuktigheten.

I et lukket kammer på 30 x 30 x 15 centimeter senket 28 fliser luftfuktigheten fra 75 til 50 prosent på omtrent fire minutter. Etter at papiret var mettet med vann, økte det luftfuktigheten i tørr luft fra 15 til 20 prosent på rundt 16 minutter. I et rom senket den største rekken luftfuktigheten fra 38 til 32 prosent på 15 minutter. Forskerne understreker at dette bare er et tidlig resultat, og ikke dokumentasjon på langvarig kapasitet.

«We put a lot of energy into HVAC [heating, ventilation, and air conditioning] systems to remove moisture from the air, but if we use this concept, we could reduce or control moisture levels while also generating electricity,» sier Choi.

Forskerne beskriver arbeidet som et bevis på at konseptet fungerer, ikke som et alternativ til strømnettet eller solcellepaneler. Det realistiske målet er å forsyne miljøsensorer, trådløse moduler og små tingenes internett-enheter med strøm. Dersom materialet viser seg å være holdbart, kan en vegg i fremtiden fungere som en selvforsynt sensor samtidig som den bidrar til å regulere luften i rommet.