Elektřina produkovaná pouhým ledem?

Nedávno jsme se dozvěděli, že v Antarktidě došlo k zachycení podivných rádiových signálů vycházejících zpod ledu, které znamenaly "něco" hodně energetického. A zdá se, že obyčejný led je mnohem záhadnější substance, než se dosud myslelo. Jedním ze základních předpokladů o vlastnostech ledu bylo to, že je elektricky "neaktivní". Nedávná studie ale odhalila přesný opak, který materiálové fyziky docela překvapil - led nejenomže dokáže produkovat elektřinu, ale navíc i celkem elegantním způsobem. Stačí ho "ohnout".

Pravděpodobně jste již slyšeli o piezoelektrickém jevu, kdy při působení tlaku (i velmi jemného) dochází v mnoha materiálech ke vzniku elektřiny. Tento jev je poměrně běžný a vyskytuje se třeba i v živých organismech. V případě ledu se ale jedná o něco jiného - o takzvanou flexoelektřinu, kdy napěťový impuls vznikne mechanickým namáháním (například ohýbáním či natahováním). Nebo jinými slovy, pokud se vhodný materiál deformuje, mění se vzdálenosti mezi atomy a molekulami a dochází ke změně rozložení nábojů, přičemž může vzniknout polarizace a napěťový rozdíl. Princip je tedy jednoduchý, ale nikdo nečekal, že se to může dít i u obyčejného ledu, u kterého se tvorba elektřiny nepředpokládala.

Tento nový objev je hodný velké pozornosti, a to z několika důvodů. Za prvé, více se poodhaluje příčina toho, jak vznikají blesky během bouří. Dosud se předpokládalo, že za tím stojí srážky ledových částic, které "nějak" vyprodukují elektřinu. Flexoelektřina ledu tak nabízí vysvětlení, jak k tomu může docházet - ledové částice se srážejí a deformují, čímž se vytváří potřebné napětí.

Druhý důvod, který stojí za pozornost, je to, že při určitých teplotách ledu se povrchová polarizace stává trvalou. Tento jev byl nejvíce pozorován při teplotě -113 °C, což je velmi atraktivní, protože s ohledem na stabilitu se jedná o teplotu, která je zajímavá pro některé možné aplikace (viz dále).

To ale není vše. Objevila se i další bizarnost. Elektrické schopnosti ledu se lišily dle toho, jaký typ elektrody byl v experimentu použit. Nebo jinými slovy, záleží i na prostředí, ve kterém se led nachází. Například schopnost trvalé polarizace byla "největší" za použití platinových elektrod, menší pak u elektrod ze zlata a téměř žádná u hliníkových elektrod. A to je též zajímavé, protože takto se dá s ledem hodně "vyhrát" a různě ho "ladit" pro praktické účely.

Proč tedy na tomhle objevu docela záleží?
Jak již bylo zmíněno, flexoelektřina ledu nabízí vysvětlení, jak by v mracích mohly vznikat blesky. Navíc, taky hodně záleží na teplotě, což koreluje s mnohaletými pozorováními, že vhodné rozložení náboje v mracích se objevuje při určitých nadmořských výškách. A jak víme, teplota s rostoucí nadmořskou výškou klesá, čímž se mění i samotné flexoelektrické vlastnosti ledu. Vědci udělali i nějaké modelové výpočty a zdá se, že to s touto teorií celkem sedí.

Další, a možná i mnohem důležitější věc je praktická nebo technologická aplikace. Elektřina produkovaná ledem je srovnatelná s různými keramickými materiály, které se využívají v nejrůznějších senzorech. Keramika je ale drahá, led je téměř zadarmo. Potenciál využití je zejména v oblastech s nízkými teplotami - vesmír, výzkumné stanice v Arktidě nebo Antarktidě nebo v daleké budoucnosti i vybudování obrovských zařízení v těchto lokalitách nebo třeba i na Měsíci či jiných planetách. Nebo by se mohlo jednat i o různá současná zařízení, která nízkou teplotu aktivně využívají ke chlazení. Všechny tyto možnosti by byly především velmi levné, protože hodně ledu máme k dispozici i na samotné Zemi a lze ho snadno udržet.

Tento výzkum nám ale ukázal i další věc - že možná ani sami pořádně nevíme, jak obrovský potenciál mohou mít obyčejné substance běžně se vyskytující v přírodě. Lidé si myslí, že všemu již rozumí a pak se objeví něco, co ani nepředpokládali, že je možné...