ENERGIE: Možný konec solárních baronů
Tak jako se ukázalo, že můžeme ze vzduchu vyrábět pitnou vodu, můžeme z něho vyrobit i elektřinu.
Je pravda, že vzduch se v energetice již delší dobu využívá. Nejde však o výrobu energie, ale o její akumulaci. Konkrétně o akumulaci energie do stlačeného vzduchu CAES (z anglického Compressed Air Energy Storage), která využívá vytěžené důlní prostory, jeskyně či artézské studny ve vhodných geologických formacích jako velkokapacitní podzemní zásobníky stlačeného vzduchu, kdy je akumulovaný výkon využíván k pohonu turbín ve strojovně na povrchu. O zlepšení dosud nízké účinnosti těchto zařízení, až na úroveň vodních přečerpávacích elektráren (PVE), se v posledních letech pokouší několik projektů v USA i v Evropě v technologii AA-CAES (Advanced Adiabatic CAES) akumulací tepla z komprese vzduchu a jeho využití při spuštění turbín a jejich provozu, kdy lze účinnost akumulačního cyklu významně zlepšit.
Ovšem úplně jiná kapitola energetiky se začala psát v říjnu 2023, kdy analýza vědců z americké University of Massachusetts Amherst uváděla, že během jejich experimentování se senzorem vlhkosti objevili princip průlomové technologie Air-gen. Když před několika lety jimi sestavený senzor odpojili od zdroje energie, začalo zařízení samo nečekaně produkovat elektrický proud, neboť využívalo proteinové nanodrátky z bakterie Geobacter k vychytávání elektřiny ze vzdušné vlhkosti. Molekuly vody vytvářely nábojový rozdíl, což mělo za následek nepřetržitý elektrický výstup, ve kterém vědecký tým tušil slibné aplikace, od napájení malé elektroniky až po rozsáhlé nasazení v našich domácnostech.
Shodou okolností jiný výzkumný tým na Monash University, Biomedicine Discovery Institute v australském Melbourne, objevil také enzym, který na energii přeměňuje vodík, obsažený ve vzduchu. Jinak řečeno, jejich studie, publikovaná v březnu 2023 na stránkách prestižního vědeckého časopisu Nature odhalila, jak tento enzym využívá malé množství vodíku z atmosféry k vytvoření elektrického proudu. Výzkumný tým z Melbourne v tomto případě využil a analyzoval enzym z půdní bakterie, který rovněž otevírá novou cestu k vytvoření řady zařízení pro výrobu elektřiny ze vzduchu. Mnoho bakterií využívá vodík z atmosféry jako zdroj energie v prostředí chudém na živiny, v tomto případě však vědci extrahovali enzym z Mycobacterium smegmatis, rychle rostoucí mykobakterie běžně se vyskytující v půdě, kde se ukázalo, že enzym, nazývaný Huc, přeměňuje molekuly vodíku na elektrický proud.
A jak říká hlavní autor studie Rhys Grinter: „Na rozdíl od všech ostatních známých enzymů a chemických katalyzátorů spotřebovává vodík dokonce i pod úrovní atmosférických hodnot – pouhých 0,00005 % vzduchu, který dýcháme.“ Huc je tak podle australského týmu něco jako „přírodní baterie“, která produkuje trvalý elektrický proud ze vzduchu a má značný potenciál pro vývoj malých zařízení poháněných vodíkem. Přičemž Huc je chemicky velmi stabilní a dá se dokonce zmrazit i zahřát až na 80°C. Bakterie, které produkují enzym Huc, lze pěstovat ve velkém množství, což značí přístup k udržitelnému zdroji. Klíčovým cílem pokračujícího výzkumu je zvýšení jeho produkce a jak k tomu podotýká vedoucí týmu Dr. Rhys Grinter: „Jakmile budeme Huc produkovat v dostatečném množství, bude jeho využití k výrobě čisté energie doslova neomezené.“ Zde odkaz na původní zdroj: Odkaz
Americký tým na Fakultě inženýrství UMass Amherst, který také původně začínal s bakterií, pak navázal na práci, kterou Juan Yao, odborný asistent elektrotechniky a počítačového inženýrství a jeho spoluautor Derek Lovley, profesor mikrobiologie, dokončili v roce 2020. Jak se tehdy ukázalo, elektřinu lze nepřetržitě získávat ze vzduchu pomocí specializovaného materiálu, vyrobeného z proteinových nanodrátků vypěstovaných z bakterie Geobacter sulfurreducens, kdy už předchozí studie naznačovaly, že členové této čeledi mohou používat elektrody jako akceptory elektronů. Bakterie Geobacter sulfurreducens je označována za elektroaktivní mikroorganismus, který se jako všudypřítomný reduktor železa nachází v půdách po celém světě. V uměle vytvořeném systému vytváří elektrický proud a stal se tak modelovým organismem pro studium elektroaktivních organismů (bakterií, mikrořas a hub), přičemž již existují potenciální biotechnologické aplikace této bakterie, které mohou překlenout propast mezi biologií a elektrickým signálem. První zařízení Air-gen, které využívalo 7 mikrometrů silný film z proteinových nanodrátků mezi dvěma elektrodami vystavenými vzduchu, dosahovalo trvalého napětí 0,5 voltu a proudové hustoty 17 mikroampérů na centimetr čtvereční, což ukazovalo na jeho potenciál nabíjet chytré telefony a další osobní elektroniku.
„Po objevu u Geobacteru jsme si uvědomili,“ říká Juan Yao, „že schopnost generovat elektřinu ze vzduchu – to, co jsme tehdy nazvali ‚efektem generování‘ – se ukazuje jako schopnost obecná: doslova jakýkoli druh materiálu může získávat elektřinu ze vzduchu, pokud má určitou vlastnost.“ A o jakou že tu jde vlastnost? Inu, musí mít póry menší než 100 nanometrů (nm), což je méně než tisícina šířky lidského vlasu. Je to kvůli parametru známému jako „střední volná dráha“, což je vzdálenost, kterou urazí jedna molekula látky, v tomto případě vody ve vzduchu, než narazí na jinou molekulu stejné látky. Tedy zde do hry vstupuje nanotechnologie, pod kterou se rozumí oblast vědy a průmyslu, která cíleně manipuluje s jednotlivými molekulami či dokonce atomy tak, aby vznikaly látky a materiály s netradičními vlastnostmi.
Yao a jeho kolegové si uvědomili, že by mohli navrhnout elektrický sběrač založený na tomto principu. Takový sběrač lze vyrobit z tenké vrstvy materiálu, vyplněné nanopóry, které umožňují molekulám vody procházet z horní do spodní části materiálu. Protože je však každý pór tak malý, molekuly vody při průchodu tenkou vrstvou zhusta narážejí na okraj póru. To znamená, že na horní části vrstvy bude větší množství molekul vody nesoucích náboj, než na spodní části, což vytváří nerovnováhu náboje a horní část zvyšuje svůj náboj vzhledem ke spodní části, podobně jako je tomu u mraku na obloze. Tím se dá vytvořit přírodní „baterie“, která může fungovat tak dlouho, dokud bude mít k dispozici molekuly vody při potřebné vlhkosti vzduchu. „Vytvořili jsme lidmi postavený malý cloud, který pro nás předvídatelně a nepřetržitě vyrábí elektřinu. Koncepce je to jednoduchá,“ říká Yao, „ale nikdy předtím nebyla objevena a otevírá nejrůznější možnosti.“
Ale jak už to tak bývá, zprávy o výrobě elektřiny ze vzdušné vlhkosti si někteří diskutéři na sociálních sítích pletou se zprávami o výrobě elektřiny z kapek deště, kdy by kapky měly produkovat až 100 wattů na metr čtvereční, přičemž novinové titulky hlásaly, že tato technologie by mohla „jednoho dne změnit naši energetickou síť.“ Ve skutečnosti však novináři v tomto případě vycházeli z experimentů publikovaných Národní univerzitou v Singapuru, kde nechali kapky deště proudit plastovými trubičkami o průměru 2 milimetry a získaný proud využili na rozsvícení 12 malých LED diod. Singapurské experimenty tak nemají nic společného se získáváním nábojů statické elektřiny ze všudypřítomných molekul vodní páry, tedy hygroelektřiny či vlhkostní elektřiny, ze vzduchu vychytávané na americké univerzitě v Amherstu. Nedávno se na YouTube objevilo video, ve kterém na veřejnost matoucí novinové zprávy o výrobě elektřiny z deště pomocí trubiček reaguje Sabine Hossenfelderová, kde vysvětluje, jak se gravitační energie dešťových kapek ve směsi se vzduchem v trubičkách přemění na slabý elektrický proud. Kdo neovládá angličtinu, může si nastavit české titulky:
Jinak řečeno, oproti singapurskému týmu nedávno tým inženýrů z University of Massachusetts Amherst (UMass Amherst) kolegům ukázal, jak můžeme celou řadu materiálů využívat pro zařízení, které nepřetržitě získává elektřinu ze vzdušné vlhkosti. Vlhkostí vzduchu se rozumí koncentrace vodní páry, přítomné ve vzduchu, kdy toto plynné skupenství vody je obecně pouhým okem neviditelné. Kdy zdánlivé tajemství pak spočívá v tom, že je možné výchozí materiál opatřit nanopóry, což nabízí široké možnosti nákladově efektivní a ekologicky přizpůsobivé výroby. Výsledky tohoto pro energetiku zásadního výzkumu byly publikovány v květnu 2023 v Advanced Materials: Odkaz
Protože je vlhkost vzduchu všudypřítomná, zařízení pak může běžet 24 hodin denně, 7 dní v týdnu, bez ohledu na to, zda fouká vítr, za deště i za slunečného počasí, ba i v noci, což řeší jeden z hlavních problémů technologií pro větrnou nebo solární energii, které fungují pouze za určitých podmínek. A protože vlhkost vzduchu difunduje v trojrozměrném prostoru a tloušťka Air-genu je zlomkem šířky lidského vlasu, lze jich na sebe naskládat tisíce, čímž se efektivně zvýší množství energie, aniž by se zvětšila zastavěná plocha budovaného zařízení, které by mohlo dodávat energii na úrovni kilowattů pro běžnou spotřebu. Zde odkaz na původní zdroj ze stránek UMass Amherst: Odkaz
Nejen kvůli průmyslové transformaci a digitalizaci, ale i rozvoji datových center, kdy jedno takové centrum má spotřebu odpovídající spotřebě města se 180 000 obyvatel, je třeba počítat v Evropě s růstem spotřeby elektrické energie. A není tak divu, že se Evropská unie podílí na projektu CATCHER, který využívá všech dosavadních poznatků o výrobě elektřiny ze vzdušné vlhkosti. Projekt je zaměřen na rozvoj, optimalizaci a škálovatelnost dříve vyvinuté technologie, která bude připravena pro rozšíření a další integraci se stávajícím elektrickým systémem EU pro všeobecné energetické využití. Jeho cílem je diverzifikovat zdroje čisté energie získáváním elektřiny z atmosférické vlhkosti, kdy má tato technologie sloužit k získávání dosud nevyužívaných nábojů statické elektřiny ze všudypřítomných molekul vodní páry. Tedy hygroelektřiny či vlhkostní elektřiny při využití obecného efektu pro kontinuální získávání energie z vlhkosti vzduchu, který lze aplikovat na širokou škálu anorganických i organických materiálů.
Kdy generátory elektrické energie, založené na gradientu vlhkosti (HGPG), dokážou přeměňovat vlhkostní potenciál na elektřinu díky širokému a hojnému rozložení vlhkosti vzduchu v okolním prostředí. K čemuž projekt CATCHER využívá v přírodě se vyskytujícího minerálu zvaného baddeleyit, respektive oxidu zirkoničitého (ZrO2), běžně též vyráběného synteticky. Kdy v souladu se strategickými plány Evropské unie má podle posledních zpráv prototyp z tohoto projektu poskytovat 1 kilowatthodinu za pouhé 3 centy, tedy 0,03 dolaru, což by odpovídalo zhruba našim šedesáti haléřům. To vypadá zajímavě, ale jak se u nás říká: nekřič hop, dokud nepřeskočíš. Avšak co je na tom všem nejdůležitější, při takovémto vychytávání elektrických nábojů ze vzdušné vlhkosti lze využít obrovský rezervoár energie, který je nám, na rozdíl od sluneční a větrné energie, neustále k dispozici.
Solární a větrná energie sice zaznamenaly v posledních letech zrychlený růst, jenomže nejdou regulovat. Nemůžeme požádat Slunce ať svítí či vítr ať fouká, když zrovna potřebujeme elektřinu. Je pravda, že Evropská komise při hrozícím hladu po elektřině připravuje strategii EU pro jadernou syntézu, která má být zveřejněna ve 4. čtvrtletí tohoto roku, kdy hodlá vytvořit podmínky pro vznik fúzních elektráren, napojených na síť. Jenže fúzní technologie je stále ještě v experimentální fázi, kdy i její zastánci připouštějí, že její komerční nasazení v případě úspěchu je vzdáleno nejméně několik desetiletí. Je tedy zřejmé, že při odstavení elektráren využívajících fosilní paliva se EU v rámci svých klimatických cílů v případě zajištění dostatečných a spolehlivých dodávek elektrické energie bude muset spoléhat na osvědčené atomové elektrárny.
Inu, nelze než souhlasit s tím, co píše skeptický environmentalista Björn Lomborg ve svém článku, publikovaném 6. srpna 2025 na Lidovkách: „Bilionové dotace na nespolehlivé obnovitelné energie a elektromobily změnu klimatu nevyřeší. Mnohem lepším a chytřejším řešením by bylo financovat inovace: výzkum a vývoj ekologických energetických přístupů včetně pokročilé jaderné energetiky, zachycování uhlíku a energie z obnovitelných zdrojů nové generace, které budou levnější než dosavadní elektřina z fosilních paliv a jejichž výroba nebude závislá na tom, zda právě fouká vítr nebo svítí slunce. Teprve pak bude moct každý přejít levně a efektivně na novou energii, aniž by tím jen dokazoval světu svou morální nadřazenost.“
Netroufnu si odhadnout směr a tempo dalšího vývoje, ale ze vzduchu kontinuálně vychytávaná elektřina (pokud se do toho nevloží aktivisté) atomovým elektrárnám jistě útlum nepřinese. Ovšem solárním baronům a jejich lobbistům, kterým o stabilní energetiku nejde, vychytávání elektrických nábojů ze vzdušné vlhkosti může utnout tipec.
Běžná půdní bakterie Mycobacterium smegmatis. Kredit: Vader1941 / Wikimedia Commons. CC BY-SA 4.0
Harvesting Electricity Out of Thin Air, na videu lze nastavit české titulky:
Odkazy na původní zdroje
Evropská technologie přeměny vlhkosti na elektřinu:
Projekt CATCHER financovaný Evropskou inovační komisí:
Produkce elektřiny bakterií Geobacter sulfurreducens :
Lidstvo odemyká neomezený zdroj čisté energie:
Obrovský a spolehlivý zdroj čisté elektřiny:
Vědci našli způsob, jak vyrobit elektřinu ze vzduchu:
Využití vlhkosti k výrobě energie:
Bakterie rodu Geobacter produkují nepatrné bílkovinné nanodrátky:
Přehled elektroaktivních mikroorganismů:
Pokročilé adiabatické skladování energie stlačeným vzduchem:
