Delikatne tupnięcie nogą powoduje świecenie setek diod LED. Bez akumulatora i kabli zasilających wpiętych do gniazdka. Brzmi niewiarygodnie? Skąd więc nagle pojawia się prąd? Zasadniczo z tego samego źródła, co przeskakująca iskra z ręki do metalowej klamki, gdy przejdziemy po suchym dywanie w zimie. Naukowcy z Georgia Institute of Technology wykorzystali te fakty i zaangażowali naelektryzowane materiały do pracy.
Elektryzowanie materiałów to proces przekazywania im ładunku. Wyróżnia się trzy sposoby elektryzowania: przez tarcie, przez dotyk oraz przez indukcję. Efekt tryboelektryczny polega na generowaniu ładunków na skutek kontaktu i tarcia materiałów odpowiednio od siebie oddalonych w szeregu tryboelektrycznym. Kilka tygodni temu opisywaliśmy dokładnie zasadę działania takiego nanogeneratora, który dzięki wibracjom wytwarzanym podczas spaceru wytwarzał energię elektryczną. Naukowcy cały czas udoskonalają technologię, a łatwy sposób pozyskiwania energii chcą wykorzystać w produkcji całej gamy urządzeń przenośnych i czujników z własnym źródłem prądu. Duże zasoby marnowanej do tej pory energii mechanicznej powstałej na skutek ruchu, wiatru, wibracji, falowania wód oceanu, jazdy samochodem, a nawet wycieków wody, wybuchów i padającego deszczu mogą zostać ponownie wykorzystane.
W uproszczeniu generator tryboelektryczny składa się z dwóch różnych materiałów – jeden jest donorem elektronów, a drugi ich akceptorem. Podczas kontaktu powierzchni obu materiałów, elektrony przepływają z jednego materiału na drugi. Następnie, gdy arkusze zostaną rozdzielone, jeden z nich przejmuje elektrony i staje się naładowany ujemnie, a drugi je traci, uzyskując ładunek dodatni. Mieszanina gazów, czyli powietrze znajdujące się pomiędzy nimi jest izolatorem. Jeśli do naelektryzowanych, zewnętrznych krawędzi obu arkuszy przytwierdzimy elektrody i je ze sobą połączymy, zaobserwujemy przepływ prądu. Będzie on rejestrowany aż do wyrównania poziomu elektronów w obu materiałach. Aby transfer ładunku był jak najwyższy, pozycje materiałów w tzw. szeregu tryboelektrycznym muszą być jak najbardziej oddalone. Przez ciągłe powtarzanie procesu można wytwarzać prąd przemienny, ale próby stworzenia generatorów wytwarzających prąd stały również zakończyły się powodzeniem.
Fakt elektryzowania się materiałów pod wpływem tarcia był znany od dawna. Problem stanowił przesył oraz wykorzystanie zgromadzonego ładunku do zasilania urządzeń zewnętrznych. Dzięki zastosowaniu materiałów o różnej biegunowości i zdolności do gromadzenia ładunku, a także wprowadzeniu przerwy pomiędzy nimi, możliwe stało się zagospodarowanie losowej energii mechanicznej oraz jej konwersji na energię elektryczną. Inżynierowie z Georgia Institute of Technology do budowy generatorów stosowali najczęściej materiały polimerowe, np. PTFE (politetrafluoroetylen), czyli popularny teflon, a także PA 6.6 (poliamid 6.6 – nylon) oraz warstwy z metalu – glinu (Al).
Pierwszy konwerter tryboelektryczny naukowcy pod kierunkiem Zhong Lin Wanga stworzyli przez przypadek podczas pracy nad generatorem piezoelektrycznym. Ten drugi wykorzystuje całkiem inną technologię – ładunki elektryczne pojawiają się na powierzchni pod wpływem naprężeń mechanicznych. W czasie testów badacze zauważyli, że moc na wyjściu jednego urządzenia piezoelektrycznego była znacznie większa, niż się spodziewano. Stało się to na skutek niewłaściwego zamocowania jednego z materiałów, które umożliwiało kontakt i tarcie obu powierzchni. Obecnie generatory o powierzchni jednego metra kwadratowego (z pojedynczą warstwą materiału) mogą wyprodukować nawet 300 W mocy. Obliczenia teoretyczne wykazały, że jest możliwe osiągnięcie gęstości mocy na poziomie 400 kW/m^3 przy efektywności wyższej niż 50%. Naukowcy rozszerzyli zakres techniki poprzez produkcję koszulek, wkładek do obuwia, gwizdków, pedałów, dywaników, plecaków i pływaków kołyszących się na falach oceanu. Podnieśli możliwości konwersji energii, a tym samym skuteczność transferu ładunku poprzez rozbudowanie powierzchni kontaktu. Polimerowe arkusze zostały pokryte specjalnymi wzorami o wysokości maksymalnie 2 mikrometrów, które zwiększyły obszary styku
Jednak najlepsze dopiero przed nami. Badacze zaprezentowali kilka miesięcy temu cienki i przezroczysty nanogenerator ekranowy. Wyobrażacie sobie smartphony i tablety ładowane za pomocą dotyku? Albo laptop zasilany przez touchpad? To jeszcze nie wszystko. Artykuł opublikowany 4 grudnia 2013 w czasopiśmie ACS Nano prezentuje generator tryboelektryczny umieszczony m.in. w kole rowerowym i czujniku zasilanym wiatrem. Konwersja energii obrotowej z koła na energię elektryczną odbywa się przy użyciu warstw PTFE oraz Al (działanie można zobaczyć TUTAJ, TUTAJ i TUTAJ).
Technologia z pewnością wymaga odpowiedniego dopracowania i dostosowania do warunków pracy urządzeń. Ogromną zaletą jest możliwość stosowania szerokiego zakresu materiałów (polimerów, tkanin, a nawet papieru). Materiały te są niedrogie i ich źródło mogą stanowić m.in. butelki z napojów pochodzące z procesów recyklingu. Obecnie zespół Wanga kontynuuję prace badawcze nad generatorami i czujnikami w celu poprawy ich wydajności i czułości. Zajmują się również zwiększaniem powierzchni właściwej materiałów oraz zastosowaniem wielu warstw równocześnie w celu podniesienia mocy.
Źródło:
[1] Single-Electrode-Based Rotating Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Energy from Tires. Hulin Zhang, Ya Yang, Xiandai Zhong, Yuanjie Su, Yusheng Zhou, Chenguo Hu, and Zhong Lin Wang. ACS Nano, Article ASAP. DOI: 10.1021/nn4053292
[2] Transparent Triboelectric Nanogenerators and Self-Powered Pressure Sensors Based on Micropatterned Plastic Films. Feng-Ru Fan, Long Lin, Guang Zhu, Wenzhuo Wu, Rui Zhang, and Zhong Lin Wang. Nano Lett., 2012, 12 (6), pp 3109–3114 DOI: 10.1021/nl300988z
[3] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl300988z [12.12.2013]
[4] http://cdn-pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl400738p [12.12.2013]
[5] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn4053292 [12.12.2013]
[6] http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/nn4053292/suppl_file/nn4053292_si_001.pdf [12.12.2013]
[7] http://www.news.gatech.edu/2013/12/07/harvesting-electricity-triboelectric-generators-capture-wasted-power [12.12.2013]
[8] 5V Bullet-type RGB LED Stringxels (Strand of 40) by Solarbotics, flickr.com CC BY 2.0