To odkrycie nie tylko pozwala wytwarzać energię w ekstremalnych warunkach, ale może również znaleźć zastosowanie w eksploracji kosmosu i energii odnawialnej.
Od dziesięcioleci, jeśli nie od stuleci, używamy kombinacji lodu i soli do różnych celów. Jednym z nich jest konserwowanie żywności, a innym zapobieganie śliskości lodu na drogach. Choć może się to wydawać sprzeczne, odpowiedź leży w fizyce.
Czysta woda zamarza w temperaturze 0°C. Jej cząsteczki tworzą uporządkowaną sieć krystaliczną: lód. Z kolei sól składa się z jonów, a kiedy posypujemy nią lód, jony te wtrącają się między cząsteczki wody, utrudniając im ponowne utworzenie sztywnej struktury lodu.
Aby mieszanka wody i soli zamarzła, potrzebna jest niższa temperatura. Oznacza to, że temperatura zamarzania spada poniżej 0°C (w idealnych warunkach może spaść nawet do około -21°C). Powoduje to, że lód w temperaturze 0°C potrzebuje znacznie niższej temperatury, aby pozostać w stanie stałym. I topnieje.
Teraz ta kombinacja może mieć jeszcze bardziej interesujące zastosowanie. Zespół hiszpańskich i chińskich naukowców odkrył zasadę fizyczną umożliwiającą wytwarzanie energii elektrycznej dzięki tej kombinacji. Zgodnie z badaniem opublikowanym w Nature Materials, interakcja między solą a lodem może wytworzyć ładunek elektryczny, co otwiera drzwi do nowego sposobu pozyskiwania energii z naszego otoczenia.
Intuicja podpowiada nam, że sól topi lód, obniżając jego temperaturę topnienia. Jednak na poziomie molekularnym zachodzi taniec ładunków elektrycznych. Wyniki badania przeprowadzonego przez Kataloński Instytut Nanoscience i Nanotechnologii pokazują, że gdy kryształ soli (np. chlorek sodu, NaCl) styka się z lodem, dochodzi do zjawiska elektryzowania przez kontakt.
Kluczem do tego zjawiska jest fakt, że jony soli (kation sodu, Na⁺, i anion chlorku, Cl⁻) nie rozprzestrzeniają się w lodzie w tym samym tempie. Jony Cl⁻ mają większą ruchliwość i wnikają nieco głębiej w sieć krystaliczną lodu niż jony Na⁺. To fizyczne rozdzielenie ładunków dodatnich i ujemnych powoduje nierównowagę, znaną jako podwójna warstwa elektryczna, tworząc różnicę potencjałów napięcia. W istocie słony lód zamienia się w ogniwo elektrochemiczne. Bardzo proste, ale w końcu jednak ogniwo.
Zespół kierowany przez Gustau Catalána zaprojektował różne eksperymenty, w których wykorzystano materiały izolacyjne (takie jak teflon) w połączeniu z lodem o różnych stężeniach soli. Wyniki były jednoznaczne: obecność soli zwiększała generowanie ładunku elektrycznego o rząd wielkości w porównaniu z czystym lodem. Prosta kostka solonego lodu może generować napięcie rzędu kilkudziesięciu milivoltów. Chociaż nie jest to ogromna ilość, jest ona doskonale mierzalna i stanowi niepodważalny dowód słuszności koncepcji.
To odkrycie wykracza poza sferę czysto akademicką. Możliwość wytwarzania energii elektrycznej w tak powszechnym i niedrogim procesie stwarza interesujące scenariusze. Na przykład umożliwią one opracowanie autonomicznych czujników do stosowania w środowiskach zimnych, takich jak Arktyka lub wysokie góry, zasilanych samym lodem i solą morską z otoczenia, bez konieczności stosowania konwencjonalnych baterii.
Zjawisko to może odgrywać nieznaną dotąd rolę w tworzeniu się elektryczności statycznej w chmurach, wpływając na procesy tworzenia się lodu, a może nawet na powstawanie błyskawic.
Byłoby to również przydatne w materiałach służących do pozyskiwania energii. Można by opracować materiały lub powierzchnie zaprojektowane w celu maksymalizacji tego efektu, zdolne do wychwytywania energii mechanicznej (takiej jak wiatr poruszający cząsteczki solnego lodu) i przekształcania jej w impulsy elektryczne przydatne w mikrodurządach.
„Ponadto zjawisko to mogłoby poprawić nasze zrozumienie procesów naturalnych zachodzących w środowiskach lodowych, takich jak lodowce – podsumowuje komunikat – oraz obecności aktywności elektrycznej na lodowych księżycach naszego Układu Słonecznego, takich jak Europa i Enceladus”.
