Επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας έχουν αναπτύξει μια ευέλικτη, ελαστική συσκευή συλλογής ενέργειας αποκλειστικά από βιοσυμβατά μαλακά υλικά: υγρό μέταλλο και μαλακά πολυμερή γνωστά ως υδρογέλες. Παράγει μικρές ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας συγκρίσιμες με άλλες τεχνολογίες συλλογής ενέργειας και μπορεί επίσης να λειτουργήσει στο νερό καθώς και στον αέρα, σύμφωνα με την πρόσφατη εργασία της ομάδας που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Advanced Materials. Η ομάδα πιστεύει ότι η νέα συσκευή NCSU υπόσχεται την τροφοδοσία φορητών συσκευών, φορτίζοντας τις αυθόρμητα χωρίς να χρειάζεται εξωτερική πηγή ενέργειας.
"Η μηχανική ενέργεια-όπως η κινητική ενέργεια του ανέμου, τα κύματα, η κίνηση του σώματος και οι δονήσεις από τους κινητήρες-είναι άφθονη", δήλωσε ο συν-συγγραφέας Michael Dickey , χημικός και διμοριακός μηχανικός στο NCSU. «Δημιουργήσαμε μια συσκευή που μπορεί να μετατρέψει αυτόν τον τύπο μηχανικής κίνησης σε ηλεκτρισμό. Και ένα από τα αξιοσημείωτα χαρακτηριστικά του είναι ότι λειτουργεί τέλεια κάτω από το νερό ».
Οι επιστήμονες του NCSU εμπνεύστηκαν ιδιαίτερα από μια εργασία του 2013 από Κορεάτες ερευνητές. Οι ερευνητές του 2013 διαπίστωσαν ότι μπορούσαν να συλλέξουν ενέργεια από έναν ηλεκτρικό πυκνωτή διπλού στρώματος (ELCD) πιέζοντας συστοιχίες σταγονιδίων νερού που βρίσκονται ανάμεσα σε δύο άκαμπτα ηλεκτρόδια, φορτίζοντας έτσι αυθόρμητα τον πυκνωτή. Αλλά η ακαμψία αποδείχθηκε ότι ήταν ένα μειονέκτημα, καθώς η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται μόνο από τη μετακίνηση του άκαμπτου ηλεκτροδίου πάνω και κάτω. Ο Dickey και οι συν-συγγραφείς του ήθελαν να δημιουργήσουν μια ευέλικτη έκδοση αυτής της τεχνολογίας.
Το κλειδί αποδείχθηκε ότι ήταν ένα κράμα υγρού-μετάλλου γαλλίου και ινδίου, ανά Dickey, το οποίο στη συνέχεια εγκλωβίζεται σε μια υδρογέλη που απορροφά το νερό. Τα διαλυμένα άλατα στο νερό (ιόντα) συγκεντρώνονται στη μεταλλική επιφάνεια, σχηματίζοντας ένα ηλεκτρικό διπλό στρώμα παρόμοιο με έναν πυκνωτή. Η παραμόρφωση του υγρού μετάλλου αυξάνει την περιοχή και όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια, τόσο μεγαλύτερο είναι το επαγόμενο φορτίο. Όταν παράγεται ηλεκτρική ενέργεια, μπορεί να αξιοποιηθεί από ένα συνδεδεμένο καλώδιο.
"Δεδομένου ότι η συσκευή είναι μαλακή, κάθε μηχανική κίνηση μπορεί να την προκαλέσει να παραμορφωθεί, συμπεριλαμβανομένου του τσαλακώματος, του τεντώματος και της συστροφής", δήλωσε ο Dickey . "Αυτό το καθιστά ευέλικτο για τη συγκομιδή μηχανικής ενέργειας. Για παράδειγμα, η υδρογέλη είναι αρκετά ελαστική για να τεντωθεί στο πενταπλάσιο του αρχικού της μήκους."
Dickey et αϊ . Στη συνέχεια δοκιμάστηκαν οι δυνατότητες συλλογής ενέργειας της συσκευής τους παραμορφώνοντας το ένα από τα ηλεκτρόδια και συγκρίνοντας τα αποτελέσματα με το άλλο, μη παραμορφωμένο ηλεκτρόδιο. Διαπίστωσαν ότι μια παραμόρφωση λίγων χιλιοστών θα μπορούσε να δημιουργήσει πυκνότητα ισχύος περίπου 0,5 mW m -2 , η οποία είναι συγκρίσιμη με άλλες δημοφιλείς συσκευές συλλογής ενέργειας.
Αλλά η συσκευή έχει ένα μεγάλο πλεονέκτημα έναντι των ανταγωνιστών της: αυτοί οι ανταγωνιστές συνήθως δεν λειτουργούν καλά, αν όχι καθόλου, σε υγρό περιβάλλον. Αυτό ανοίγει περισσότερες πιθανές εφαρμογές, σύμφωνα με τον Dickey, όπως βιοϊατρική, αθλητικά ρούχα, απαλά ρομπότ, ηλεκτρονικά δέρματα και χρήσεις σε θαλάσσια περιβάλλοντα. Η συσκευή τους είναι επίσης εξαιρετικά εύκολη στην κατασκευή σε λίγα απλά βήματα.
Οι ερευνητές του NCSU χρησιμοποίησαν την τεχνολογία τους για να δημιουργήσουν έναν τεντώσιμο αυτο-τροφοδοτούμενο αισθητήρα ικανό να ανιχνεύσει την κίνηση ενός δακτύλου. "Η αύξηση της γωνίας κάμψης του δακτύλου αυξάνει την παραμόρφωση, με αποτέλεσμα αυξημένο ρεύμα", έγραψαν. Ο αισθητήρας θα μπορούσε επίσης να συλλέξει ενέργεια από την κίνηση του αγκώνα και του γόνατος ενώ περπατάει.
Ωστόσο, υπάρχουν ορισμένα πιθανά ζητήματα. Το νερό στην υδρογέλη τείνει να εξατμιστεί με την πάροδο του χρόνου, γεγονός που θα επηρεάσει την ελαστικότητα του και θα αλλάξει την αγωγιμότητά του. Αυτό θα μπορούσε να μετριαστεί, ωστόσο, με την ενσωμάτωση αλάτων χλωριούχου λιθίου στη συσκευή. Το γάλλιο τείνει επίσης να οξειδώνεται με την πάροδο του χρόνου και οι ερευνητές σημείωσαν μείωση του ενεργειακού δυναμικού μετά από αρκετές χιλιάδες κύκλους. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε χαμηλότερες εξόδους ισχύος για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Και υπάρχει ακόμα κάποια ενέργεια που χάνεται στην παραμόρφωση της υδρογέλης. ακόμη και πιο μαλακά τζελ θα μπορούσαν ενδεχομένως να βελτιώσουν την απόδοση μετατροπής ενέργειας.
Η νέα συσκευή NCSU είναι πρωτίστως απόδειξη της ιδέας, σύμφωνα με τον Dickey. Ερευνούν επίσης πώς να προσαρμόσουν την τεχνολογία τους στη συγκομιδή ισχύος από τα κύματα του ανέμου και των ωκεανών. Και ο Dickey και η ομάδα του πιστεύουν ότι μπορούν να βρουν έναν τρόπο για να αυξήσουν περαιτέρω την πυκνότητα ισχύος της συσκευής τους.
Ένας τρόπος για να γίνει αυτό μπορεί να είναι το σπάσιμο του μετάλλου σε μικρότερα σταγονίδια, αυξάνοντας ουσιαστικά την περιοχή για έναν δεδομένο όγκο. Εναλλακτικά, μπορεί κανείς να προεκτείνει τη συσκευή και στη συνέχεια να την αφήσει να χαλαρώσει, αυξάνοντας το ηλεκτρικό ρεύμα (και συνεπώς τη στιγμιαία ισχύ αιχμής). Η θα μπορούσε κάποιος να προφορτίσει τους πυκνωτές για να αυξήσει την ισχύ εξόδου. Τέλος, "κατ 'αρχήν, μπορεί κανείς να διερευνήσει άλλα υλικά, όπως ιοντικά υγρά ή ηλεκτρολύτες μπαταριών για να επεκτείνει το δυναμικό λειτουργίας", κατέληξαν οι συγγραφείς.
DOI: Advanced Materials, 2021. 10.1002/adma.202103142 ( About DOIs ).
