雪可能是下一个清洁能源

当谈论到清洁、可再生能源时，人们几乎总是谈论太阳能和风能。没有人提到另一种尚未开发的自然能源——雪。听起来可能难以置信，但落下的雪却带有电荷。科学家几十年前就知道这一点，但直到最近他们才弄清楚如何将其转化为电能。

加州大学洛杉矶分校的两名科学家发明了一种装置，利用硅树脂捕获雪中的电荷，然后产生电能。他们的装置简单、小巧、轻薄、灵活、价格低廉，而且由于它能自行发电，因此无需电池。加州大学洛杉矶分校化学和生物化学博士后研究员、该装置的共同发明人马希尔·埃尔-卡迪 (Maher El-Kady) 表示，由于每年平均季节性降雪覆盖地球陆地面积的近三分之一，“我们拥有大量可供收集的能源。而且我们可以使用已经大量生产的材料来实现这一点。”

可以肯定的是，他们的发明目前仍是一个“概念验证”实验，因为它的功率输出仍然很低。但研究人员相信，经过更多的微调和进一步研究，它的潜力可能是无限的。“在这个研究领域取得巨大的进步是正常的，”El-Kady 说。“通过重新审视设备结构和操作模式，还有发展和进一步改进的空间。”

他和共同发明人、加州大学洛杉矶分校无机化学家理查德·卡纳 (Richard Kaner) 看到了该技术的众多未来用途。例如，它可以为便携式气象站或追踪寒冷天气运动员表现的可穿戴设备供电。他们表示，该设备还可以集成到太阳能电池板中，在暴风雪期间提供额外电力，而暴风雪是太阳能电池板效率较低的情况。

它的工作原理看似简单。雪带正电荷。硅胶是一种合成橡胶材料，带负电荷。当飘落的雪花与硅胶接触时——砰——就产生了电。

这是 Kaner 实验室一系列创新合作中的最新成果。这两位科学家还发明了一种膜，可以将油与水分离，还可以清理水力压裂留下的碎片，该膜是与一家名为 PolyCera 的公司合作设计的。2017 年，他们发明了一种设备，可以利用太阳能以低成本为电子设备发电和储存电力，还可以为汽车制造氢燃料。今年早些时候，他们发明了一种阻燃、自熄的运动传感器和发电机，可以内置在消防员穿的鞋子或衣服中。

Kaner 和 El-Kady 使用 3D 打印技术制作了他们的造雪装置，并在最近发表在《纳米能源》杂志上的一项研究中描述了他们的研究成果。他们将其命名为雪-TENG，这是“摩擦纳米发电机”的缩写，该术语指的是由两种带相反电荷的材料组成的技术——一种材料愿意放弃电子，另一种材料则渴望获取电子。

它的功能就像我们都经历过的不愉快经历。“当你的脚踩到地毯上时，电荷会从地毯转移到你的身体上，”他说。“这叫做摩擦起电效应。现在，如果你触摸金属门把手，你身上的电荷就会转移到把手上，你就会触电。我们用类似的机制产生电。”

他说，雪的表面会积聚电荷，这是因为水分子在结晶成雪花时会自行排列。“我们想，‘为什么不使用另一种带相反电荷的材料来提取这些电子，利用摩擦发电机的概念来发电呢？’在尝试了无数种材料后，我们发现硅胶与雪产生的电荷比任何其他材料都多。”

为了制造这种装置，他们铺设了一层硅橡胶和另一层导电塑料，以收集与雪粒接触后的电荷。硅树脂具有防水性，“我们相信我们的材料可以涂在建筑物上以产生电力，同时还能防水防潮，”El-Kady 说。

他说，当它附着在衣服上时，既可以作为给电子设备充电的能量收集器，也可以作为跟踪平台。“就像智能手表一样，该设备可以判断用户是在走路、跑步还是跳跃，”他说。“它还有可能识别越野滑雪中使用的主要运动模式，而智能手表无法检测到这些模式。它还可以附着在自行车上，以回收未使用的摩擦能量，例如轮胎在雪地上滚动时产生的摩擦能量。”

El-Kady 补充道，所有使用的材料都是市面上低成本的。“由于这是为可穿戴应用而设计的，所以你会希望信号能够无线传输，你可以将我们的设备与蓝牙模块结合起来，只需花几美元就可以从电子商店或 [在线] 购买，”他说。

但他们预测，其最重要的应用之一将是最终将其用作微型气象站，可以实时监测降雪，提供有关降雪率、积雪、风向和风速的数据。“每当雪粒撞击设备表面时，它就会产生电，因此你会得到电压和电流信号，”El-Kady 说。“在我们的实验中，我们注意到电信号的形状取决于雪花飘落的角度。如果在刮风的日子下雪，它可以告诉你风速和风向。

“所以，从技术上讲，我们制造了一个气象站，但它是自供电的，”他补充道。“与体积庞大且通常依赖电池供电的传统气象站不同，我们的设备可以无限期地工作。”

玛琳·西蒙斯为 Nexus Media 撰稿，这是一家涵盖气候、能源、政策、艺术和文化的联合新闻通讯社。