Ilmassa on yleensä kosteuttaa vähintään 25 prosenttia. Kosteassa ilmassa vesipartikkelien pinnalle syntyy sähkövaraus, kun liikkuvat toisiaan vasten. Sähkön muodostuminen ilmakehän vesipisaroiden pinnalle ja sähkön vapautuminen pisaroista on ilmiönä vanha. Ilmiö on kuitenkin sen verran monimutkainen, että sen tutkiminen on ollut tähän asti vaikeaa. Nyt tutkijat ovat kuitenkin onnistuneet kehittämään materiaalin, johon ilmankosteudesta syntyvä sähkö voidaan varastoida.

Uusi materiaali on zirkoniumoksidiin perustuva nanokomposiitti. Zirkoniumoksidi on ionijohde, jossa sähkönjohtavuus perustuu oksidi-ionien liikkeeseen materiaalissa. Kun vesipisarat liikkuvat materiaalin pinnalla, varastoituu vesipisaroissa muodostunut sähkö zirkoniumoksidin nanopartikkeleihin.

Tutkimusta varten zirkoniumoksidi-pohjaisista nanokomposiiteista valmistettiin ohutkalvoja alumiinielektrodeja sisältävälle lasipinnalle. Nanokomposiitti suihkutettiin lasipinnalle aerosolin avulla. Valmiin näytekappaleen pinnalle johdettiin kosteaa ilmaa. Sen jälkeen näytteen ominaisuuksia tutkittiin atomivoimamikroskoopilla sekä pintapotentiaalimikroskoopilla. Mikroskoopeilla mitattiin muun muassa näytteen pinnan muotoja ja sähköisiä ominaisuuksia eri ilmankosteuspitoisuuksilla.

— Tutkimme materiaalin pinnalle syntyvää energianmäärää, eli mikroampeereja. Olemme päässeet mittauksissa jopa yhden voltin jännitteeseen. Virran suuruus oli muutama mikroampeeri neliösenttimetriä kohden, kertoo professori Erkki Lähderanta.

Suuri ilmankosteus — vahvempi sähkökenttä

Tutkimuksen perusteella näyttää siltä, että suurempi ilman kosteus tuottaa vahvemman sähkökentän. Todennäköisesti suuresta määrästä kosteaa ilmaa voidaan tuottaa tarpeeksi sähköä sähkölaitteita varten. Ihanteellisen yhdistelmän aikaansaamiseksi täytyy kuitenkin selvittää teknisesti oikeat vakiosuureet. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että kokeilemalla on etsittävä paras mahdollinen nanokomposiittikerroksen paksuus, oikea nanohiukkasten määrä komposiittirakenteessa ja tutkittava sähköä johtavien alumiinielektrodien geometrisia suureita.

Tutkijoiden mielestä tulevaisuudessa esimerkiksi matkapuhelimet tai muut kannettavat älylaitteet voitaisiin ladata itsestään hyödyntämällä kosteaa ilmaa.

— Ensimmäiset prototyypit saadaan ehkä markkinoille 10–20 vuoden kuluessa. Tutkimamme materiaali ei sekään ole välttämättä lopullinen materiaali, mutta siinä on paljon potentiaalia, Lähderanta toteaa.

Tutkimushankkeessa on mukana laitoksia ja yrityksiä Euroopasta ja Yhdysvalloista. Hanke käynnistyi vuoden 2016 alussa ja se jatkuu vuoden 2019 loppuun asti.

Kuva: Scanstockphoto