Nikola Tesla’s droom wellicht snel werkelijkheid: Elektriciteit uit luchtvochtigheid

Geschreven door

Martin Scholten

Gecontroleerd door

Jolien

Bijgewerkt op

12 juli 2023

[addtoany] ×

Het klinkt op het eerste gezicht misschien een beetje maf, elektriciteit uit de lucht pakken. Maar Moeder Natuur doet het uiteraard elke dag door middel van bliksem. De Amerikaanse uitvinder, geboren in Servië, Nikola Tesla zag al potentie in het idee. Hij beeldde zich een systeem van torens voor die de wereld draadloos van elektriciteit zou kunnen voorzien. Dat draadloze gedeelte blijft waarschijnlijk nog wel even een fantasie, maar elektriciteit uit de lucht pakken is nu wel een stapje dichterbij.

Het begon allemaal met een luchtvochtigheidssensor

We gaan vijf jaar terug in de tijd, naar de Universiteit van Massachusetts Amherst. Een experimentele luchtvochtigheidssensor begon spontaan elektrische signalen af te geven. Dat klinkt wellicht niet zo spannend, maar aangezien de sensor nog niet van stroom was voorzien, best bijzonder. Om wat er die dag plaats heeft gevonden te doorgronden werd er onderzoek gedaan. De resultaten van dat onderzoek beginnen nu vrucht af te werpen.

Het concept is relatief simpel. In de atmosfeer ontstaat er onder de juiste omstandigheden een soort statische elektriciteit op waterdruppels. Deze lading kan van druppel naar druppel overspringen, bijvoorbeeld ook naar stofdeeltjes. Het is waarschijnlijk het opbouwen en ontladen van deze elektriciteit die bliksem in de atmosfeer, maar ook tijdens vulkaanuitbarstingen en zandstormen veroorzaakt. In het verleden is het wetenschappers nog niet gelukt om op deze manier praktisch bruikbare stroom op te wekken.

Hoe een sensor elektriciteit op kan wekken

Het gebeurde dus per ongeluk, maar deze wetenschappers waren niet bereid een gegeven paard in de bek te kijken. Onderzoek wees uit dat de sensor, die bestaat uit een serie microscopische buisjes (nanodraden) inderdaad zelf de stroom opwekte die de signalen veroorzaakten. De buisjes, hoe klein ook, zijn groot genoeg om een watermolecuul uit de lucht toe te laten. Wel is de buis zo nauw dat deze molecuul al snel aan het stuiteren gaat. Elke keer dat de molecuul van de wand af ketste gaf deze een kleine elektrische lading af aan de buis.

Verreweg de meeste moleculen blijven dicht bij het oppervlak en laten daar veel elektriciteit lading achter. Sommige moleculen gaan dieper het materiaal in. Daar bouwt dus een veel kleinere lading op dan bij het oppervlak. Dat is precies wat er in wolken gebeurt voor ze ontladen in de vorm van bliksem. Feitelijk ontstaat er zodoende een soort batterij. Geef deze batterij een uitlaatklep en de elektriciteit begint te stromen.

Inmiddels gebruikt het team geen buisjes meer, maar een materiaal vol miljoenen kleine gaatjes. Met een apparaatje ter grootte van een duimnagel en zo dik als een vijfde van een mensenhaar genereren ze nu ruwweg één microwatt. Dat is nog niet bijster veel nee. Het is ongeveer genoeg om een pixel van een LED scherm van stroom te voorzien. Maar waar lucht is, is luchtvochtigheid, en door maar genoeg van de dunne plaatjes te stapelen zou je in theorie een hele TV kunnen laten draaien. En dat is nog maar met de huidige experimentele staat van deze technologie.

Geen panacee voor energiecrisis

Het klinkt allemaal erg opwindend, en dat is het ook! Maar de mogelijke toepassingen van de technologie in huidige vorm zijn beperkt. Het experiment van de Universiteit van Massachusetts vereiste een luchtvochtigheid van 20%. Andere onderzoekers, bijvoorbeeld in Tel Aviv, kregen hun prototype pas aan de praat bij 60% luchtvochtigheid. 20% luchtvochtigheid is betrekkelijk laag, maar in bepaalde steden in het zuid-westen van Amerika haalt men meerdere maanden per jaar dergelijke cijfers niet. En dan hebben we het alleen nog maar over buitenlucht.

Ook is er een ander probleem met vochtige lucht door vele laagjes geperforeerd materiaal laten stromen. Namelijk de opbouw van organisch materiaal. Microben zijn minstens net zo universeel aanwezig in de lucht als vocht. Een grootschalige commerciële toepassing van deze technologie moet dan ook zien te voorkomen dat een dergelijke opbouw het systeem lam legt. Toch geven de onderzoekers aan dat geen van deze problemen onoverkomelijk hoeven zijn.

Opwerken naar commerciële schaal gaat tijd kosten

Er is nog veel onzeker wat betreft deze technologie. Welke materialen ideaal zijn, hoeveel elektriciteit er uiteindelijk mee opgewekt kan worden en wat de levenscyclus van een dergelijke generator zal zijn. Maar de voordelen maken het onderzoek de moeite waard. In tegenstelling tot zonne- en windenergie kan deze technologie het grootste gedeelte van de tijd gewoon draaien. Er is bovendien ook veel minder infrastructuur nodig om de opgewekte energie te exploiteren. Wanneer ze klein en efficiënt genoeg zijn, kunnen ze eenvoudig worden geïntegreerd in elektronica. Wel moeten we qua toepassingen eerder denken aan sensoren en wearables dan huizen en auto’s.

Wellicht het grootste voordeel van de technologie is hoe milieuvriendelijk het, mits de materialen dat ook zijn, in potentie is. Natuurlijk zijn zonne- en windenergie als technologieën veel verder. Maar het niet bestrijden van klimaatverandering is geen zero sum game. Alle beetjes helpen, er is niet 1 technologie waar we op in moeten zetten. Verschillende bronnen van schone energie hebben verschillende toepassingen. Ook wanneer de power output van deze technologie laag blijft zijn er voldoende niches waar ze toepasbaar zal zijn. Het kan best nog een paar jaar duren voor we weer horen over elektriciteit uit de lucht, maar het moment gaat er zeker komen. Tesla kan goed rusten.