(PhysOrg.com) -- Onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute hebben een nieuwe methode ontwikkeld om energie uit stromend water te halen. Deze ontdekking is bedoeld om de creatie van zelfaangedreven microsensoren te bespoedigen voor meer nauwkeurige en kostenefficiënte olie-exploratie.

Onder leiding van Rensselaer-professor Nikhil Koratkar, de onderzoekers onderzochten hoe de stroming van water over oppervlakken bedekt met het nanomateriaal grafeen kleine hoeveelheden elektriciteit kon opwekken. Het onderzoeksteam demonstreerde de creatie van 85 nanowatt aan vermogen uit een plaat grafeen van 0,03 millimeter bij 0,015 millimeter.

Deze hoeveelheid energie zou voldoende moeten zijn om minuscule sensoren van stroom te voorzien die in water of andere vloeistoffen worden ingebracht en in een potentiële oliebron worden gepompt, zei Koratkar. Terwijl het geïnjecteerde water door natuurlijk voorkomende scheuren en spleten diep in de aarde stroomt, de apparaten detecteren de aanwezigheid van koolwaterstoffen en kunnen helpen verborgen olie- en aardgasbronnen te ontdekken. Zolang er water over de met grafeen gecoate apparaten stroomt, ze moeten in staat zijn om een ​​betrouwbare krachtbron te leveren. Dit vermogen is nodig voor de sensoren om verzamelde gegevens en informatie terug naar de oppervlakte te sturen.

“Het is onmogelijk om deze microsensoren van stroom te voorzien met conventionele batterijen, omdat de sensoren gewoon te klein zijn. Dus creëerden we een grafeencoating waarmee we energie kunnen opvangen van de beweging van water over de sensoren, " zei Koratkar, hoogleraar bij de afdeling Mechanische, ruimtevaart, en Nuclear Engineering en het Department of Materials Science and Engineering in de Rensselaer School of Engineering. “Hoewel een soortgelijk effect is waargenomen voor koolstofnanobuisjes, dit is de eerste dergelijke studie met grafeen. Het energie-oogstvermogen van grafeen was minstens een orde van grootte superieur aan nanobuisjes. Bovendien, het voordeel van de flexibele grafeenvellen is dat ze om bijna elke geometrie of vorm kunnen worden gewikkeld.”

Details van de studie, getiteld "Energie oogsten uit waterstroom over grafeen, ” werden vandaag online gepubliceerd door het tijdschrift Nano-letters . De studie zal ook verschijnen in een toekomstige gedrukte editie van het tijdschrift.

De exploratie van koolwaterstoffen is een kostbaar proces waarbij diep in de aarde wordt geboord om de aanwezigheid van olie of aardgas te detecteren. Koratkar zei dat olie- en gasbedrijven dit proces willen versterken door grote aantallen sensoren op microschaal of nanoschaal naar nieuwe en bestaande boorputten te sturen. Deze sensoren zouden zijdelings door de aarde reizen, gedragen door water onder druk dat in deze putten wordt gepompt, en in het netwerk van scheuren dat zich onder het aardoppervlak bevindt. Oliemaatschappijen zouden niet langer beperkt zijn tot verticale exploratie, en de gegevens die door de sensoren worden verzameld, zouden deze bedrijven voorzien van meer informatie om de beste locaties te bepalen om te boren.

De ontdekking van het team is een mogelijke oplossing voor een belangrijke uitdaging om deze autonome microsensoren te realiseren, die zelfvoorzienend moet zijn. Door de microsensoren te bedekken met een grafeencoating, de sensoren kunnen energie oogsten terwijl water over de coating stroomt.

“We wikkelen de grafeencoating om de sensor, en het zal fungeren als een 'slimme huid' die dient als een nanofluïdische stroomgenerator, ' zei Koratkar.

Grafeen is een enkele atoom dikke laag koolstofatomen, die zijn opgesteld als een gaashekwerk. Voor deze studie is Koratkars team gebruikte grafeen dat werd gekweekt door chemische dampafzetting op een kopersubstraat en overgebracht op siliciumdioxide. De onderzoekers creëerden een experimenteel watertunnelapparaat om de opwekking van energie te testen terwijl water met verschillende snelheden over het grafeen stroomt.

Naast het fysiek demonstreren van het vermogen om 85 nanowatt aan vermogen te genereren uit een klein fragment grafeen, de onderzoekers gebruikten moleculaire dynamica-simulaties om de fysica van dit fenomeen beter te begrijpen. Ze ontdekten dat in het water aanwezige chloride-ionen aan het oppervlak van grafeen kleven. Terwijl water over het grafeen stroomt, de wrijvingskracht tussen de waterstroom en de laag geadsorbeerde chloride-ionen zorgt ervoor dat de ionen langs de stroomrichting drijven. De beweging van deze ionen sleept de vrije ladingen die aanwezig zijn in grafeen langs de stroomrichting - waardoor een interne stroom ontstaat.

Dit betekent dat de grafeencoating vereist dat ionen aanwezig zijn in water om goed te kunnen functioneren. Daarom, olie-exploratiebedrijven zouden chemicaliën moeten toevoegen aan het water dat in de put wordt geïnjecteerd. Koratkar zei dat dit een makkelijke, goedkope oplossing.

Voor de studie, Het team van Koratkar testte ook de energie die werd geoogst uit water dat over een film van koolstofnanobuisjes stroomt. Echter, de energieopwekking en -prestaties waren veel lager dan die bereikt met grafeen, hij zei.

Kijkend naar mogelijke toekomstige toepassingen van deze nieuwe technologie, Koratkar zei dat hij zich zelfaangedreven microrobots of microonderzeeërs zou kunnen voorstellen. Een andere mogelijkheid is het oogsten van stroom uit een grafeencoating aan de onderkant van een boot.