Никола Тесла снова всех переиграл. Его идею 1913 года наконец-то заставили работать

Исследователи разработали бесконтактный способ генерации электричества, используя только сжатый воздух и конструкцию турбины Теслы. Система выдаёт пиковые значения до 800 вольт и 2,5 ампера на частоте 325 герц. При оптимальном сопротивлении нагрузки в 100 ом устройство производит среднеквадратичную мощность 0,99 ватта. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Energy Materials.

Сжатый воздух — невидимая рабочая лошадка промышленности. Он приводит в действие пневматические инструменты, робототехнику и автоматизированные системы практически во всех отраслях. Но у него есть скрытая проблема: мелкие частицы пыли и молекулы воды, взвешенные в потоке под давлением, накапливают мощные электрические заряды при столкновении со стенками труб и поверхностями оборудования. Это трибоэлектрический эффект — тот самый, благодаря которому воздушный шарик прилипает к стене после того, как его потрёшь о волосы. В промышленных условиях такая зарядка может создавать потенциалы в несколько тысяч вольт, что чревато искрами, воспламеняющими горючую пыль, внезапными разрядами, уничтожающими чувствительную электронику, и статикой, нарушающей точное производство.

Прежние попытки собирать электричество из воздушных частиц требовали добавления дополнительных материалов — пластиковых шариков, частиц кремнезёма или песчинок диаметром в сотни микрометров. Некоторые системы распыляли воду в воздушный поток. Всё это оставалось на уровне лабораторий.

Новая система вдохновлена безлопастной турбиной, которую Никола Тесла запатентовал в 1913 году. В отличие от обычных турбин с лопастями, отклоняющими поток, конструкция Теслы использует вязкостное сопротивление для вращения гладких дисков, расположенных близко друг к другу. Воздух прилипает к поверхности дисков и передаёт им импульс, закручиваясь по спирали к центру.

Устройство объединяет эту столетнюю идею с современными трибоэлектрическими материалами. Оно состоит из вращающегося дискового узла, трибоэлектрических слоёв из тефлона и нейлона, подшипников и акрилового корпуса. Сжатый воздух поступает через входное отверстие и создаёт высокоскоростной вихревой поток, достигающий 300 метров в секунду. При давлении 0,2 мегапаскаля ротор раскручивается до 8472 оборотов в минуту, сообщает Nanowerk.

Генерация электричества основана на частицах, естественно присутствующих в сжатом воздухе. Когда пыль и молекулы воды ударяются о внутренние поверхности, они передают заряды в зависимости от положения материала в трибоэлектрическом ряду. Частицы, попадающие на тефлон, оставляют отрицательные заряды, на нейлон — положительные. Вращающиеся медные электроды никогда физически не касаются этих заряженных поверхностей. Вместо этого накопленные поверхностные заряды индуцируют противоположные заряды в электродах при их вращении. Эти индуцированные заряды периодически высвобождаются через электростатический разряд, когда электрическое поле в воздушном зазоре превышает 3 киловольта на миллиметр — этого достаточно для ионизации воздуха.

Высокое напряжение на выходе позволяет реализовать дополнительную функцию: генерацию отрицательных ионов воздуха. Подключённое к игольчатому электроду, устройство испускает электроны, создающие отрицательные ионы, которые притягивают и нейтрализуют заряженные частицы. В экспериментах по сбору влаги эмиссия отрицательных ионов удвоила количество собранной воды. Тесты по удалению пыли показали, что с ионизацией очистка от частиц возрастает в 1,56 раза.

Практические испытания подтвердили работоспособность: устройство зажгло 1000 светодиодов, соединённых в четыре параллельные цепочки, и одновременно питало четыре коммерческие лампы мощностью 2,5 ватта каждая. За пять дней ежедневной работы пиковое напряжение устройства сохранялось на уровне около 700 вольт, а анализ поверхностей после 10 000 секунд работы не выявил значительного износа.