当谈到清洁、可再生能源时，人们几乎总是谈论太阳能和风能。没有人会提及另一种尚未开发的自然能源——雪。听起来不可思议，但落雪确实带有电荷。科学家们对此已经研究了几十年，但直到最近才弄清楚如何将其转化为电能。
加州大学洛杉矶分校的两位科学家发明了一种使用硅来捕捉雪的电荷——并产生电力的装置。他们的工具简单、小巧、轻薄且柔韧，成本低廉，而且——由于它能自行发电——不需要电池。鉴于地球陆地面积的近 三分之一 每年平均有积雪覆盖，“我们拥有一个随时可收集的巨大能源，”该装置的联合发明者、加州大学洛杉矶分校化学和生物化学系的博士后研究员 Maher El-Kady 表示。“而且我们可以使用已经大规模生产的材料来实现这一点。”
可以肯定的是，他们目前的发明仍处于“概念验证”阶段，因为其功率输出仍然很低。但研究人员认为，通过进一步的微调和研究，其潜力可能是无限的。“在这个研究领域，巨大的进步是很正常的，”El-Kady 说。“通过重新审视装置结构和工作模式，还有很大的发展和进一步改进的空间。”
他和联合发明者、加州大学洛杉矶分校的无机化学家 Richard Kaner 认为该装置有许多未来的用途。例如，它可以为便携式气象站或用于追踪寒冷天气运动员表现的可穿戴设备供电。他们说，该装置还可以集成到太阳能电池板中，在积雪时提供额外的电力，而此时太阳能电池板的效率较低。
其工作原理 deceptively simple。雪带有正电荷。硅，一种合成橡胶状材料，带有负电荷。当落雪接触到硅时——砰——就会产生电。
这是 Kaner 实验室一系列创新合作的最新成果。这两位科学家还发明了一种分离油水分离器，还可以清理水力压裂留下的碎片，该分离器是与一家名为 PolyCera 的公司合作设计的。2017 年，他们发明了一种 装置，该装置利用太阳能以低成本为电子设备发电和存储电能，并为汽车制造氢燃料。今年早些时候，他们创造了一种阻燃、自熄的 运动传感器 和发电机，可以内置到消防员穿着的鞋子或衣服中。
Kaner 和 El-Kady 使用 3D 打印技术创造了他们的雪地装置，并在期刊 Nano-Energy 上 描述 了他们近期的 发现。他们将其命名为 snow-TENG，是摩擦纳米发电机的缩写，这个术语指的是由两种具有相反电荷的材料组成的双材料技术——一种乐于释放电子，另一种则渴望接收电子。
它的工作原理就像我们都经历过的不愉快的经历。“当你用脚在地毯上摩擦时，电荷会从地毯转移到你的身体，”他说。“这叫做摩擦起电效应。现在，如果你触摸金属门把手，你身体上的电荷就会转移到门把手上，你就会被电击。我们利用类似的机制产生了电。”
他说，雪之所以会在表面积累电荷，是因为水分子在结晶成雪花时其排列方式。“我们想，‘为什么不引入另一种带有相反电荷的材料来提取这些电子，利用摩擦发电机原理来发电呢？’ 在尝试了无数种材料后，我们发现硅比其他任何材料都能产生更多的雪荷电。”
为了制造该装置，他们铺设了一层硅橡胶和另一层导电塑料，用于收集其与雪颗粒接触后产生的电荷。El-Kady 表示，硅具有防水性，“我们相信我们的材料可以涂在建筑物上发电，并提供防水防潮保护。”
他说，当将其附着在衣物上时，它可以作为能量收集器为电子设备充电，也可以作为跟踪平台。“就像智能手表一样，该装置可以告诉用户是步行、跑步还是跳跃，”他说。“它还有潜力识别越野滑雪的主要运动模式，而这是智能手表无法检测到的。它还可以附加到自行车上，收集未使用的摩擦能，例如来自轮胎在雪地上滚动产生的能量。”
El-Kady 补充说，所有使用的材料都以低成本在市面上都能买到。“由于这主要用于可穿戴应用，您需要无线传输信号，您可以通过将我们的设备与 蓝牙模块 结合来实现，这个模块您可以在电子商店或 [网上] 购买，只需几美元。”
但他们预测，它最重要的应用之一将是最终用作微型气象站，能够实时监测降雪，提供降雪率、积雪量、风向和风速等数据。“每次雪花撞击设备表面时，都会产生电能，从而产生电压和电流信号，”El-Kady 说。“在我们的实验中，我们注意到电信号的形状取决于降雪的角度。如果是在有风的日子下雪，它可以告诉你风速和风向。
“所以，从技术上讲，我们制作了一个气象站，但它是一个自供电的，”他补充道。“与笨重的传统气象站不同，后者通常依靠电池供电，我们的设备可以无限期地工作。”
玛琳·西蒙斯为Nexus Media撰稿，Nexus Media是一家报道气候、能源、政策、艺术和文化的联合新闻社。
