Извлекая большую энергию из небольшого движения

Со времен древних греков человечество знало, что если вы соприкасаете две вещи, то создается небольшое количество электричества. Одним из примеров является то, что мы можем потереть воздушный шар своими волосами и генерировать достаточно электричества, чтобы прикрепить его к потолку.

Тот же принцип был применен к нашему новому исследованию, опубликованному в журнале Small, в котором было обнаружено, как обеспечить оптимальную выработку энергии между очень мелкими слоями волокон в материале.

Каждое из этих крошечных волокон примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса. Они состоят из полимеров, которые представляют собой повторяющиеся цепочки из одних и тех же звеньев. В этом случае мы использовали полимеры этиленвинилацетат, который, помимо прочего, придает кроссовкам "упругость", и полимолочную кислоту, которая происходит из той же кислоты, которая вызывает мышечные спазмы после тренировки.

Мы чередовали два разных типа волокон в слои очень специфическим образом, чтобы получились "ламинаты". Эти ламинаты состоят из множества уложенных друг на друга микроскопических слоев, и каждый участок ламината состоит из десятков тысяч волокон.

Везде, где происходит какое-либо движение вокруг слоев волокон, электричество генерируется за счет трения между каждым слоем.

Мы изменили размер и текстуру этих волокнистых слоев и упорядочили их очень специфическими способами, чтобы оптимизировать трение и контактную электризацию и в конечном итоге генерировать максимальный заряд.

Наше исследование показало, что, используя этот порядок, мы можем получать примерно в 400 раз больше электроэнергии от движения, чем это было ранее возможно из этих материалов. Поскольку мы всегда можем ввести больше интерфейсов, используя более тонкие волокна, этот тип выработки энергии очень масштабируем.

У этого есть захватывающие потенциальные применения там, где много движения, но сейчас это только в очень небольших масштабах — например, использование движения человека для питания умных часов или подзарядки имплантируемого устройства, такого как кардиостимулятор.

В биомедицинской области существует потенциал улавливания энергии из крови, текущей по артерии или вене, например, для поддержания работы инсулиновой помпы дольше.

Эта возможность также очень эффективна в области зондирования, особенно, если есть необходимость измерять очень малые вибрации от окружающей среды, например, отслеживать незначительную сейсмическую активность или изменения в потоке воды, или для питания датчиков в отдаленных местах, где вы не получаете много солнца.

В этих сценариях вы не можете использовать солнечные элементы или легко заменить батарею. Способность извлекать энергию только из вибраций земли для поддержания работы Интернета и другой критически важной инфраструктуры обладает значительным потенциалом.

Изготовление ламината

Исследование было проведено в сотрудничестве с профессором Андрисом Суткой из Рижского технического университета в Латвии с использованием процесса, называемого электроспиннингом, для создания полимерных волокон. Регулируя электроформовочный инструмент, мы смогли отрегулировать, какой полимер мы раскручиваем, и его толщину.

Одной из задач исследования было упорядочение и контроль того, как полимерные слои взаимодействуют друг с другом. Очень сложно контролировать, как каждое волокно вибрирует по отношению к другому, и если вы неправильно расположите его, вырабатываемое электричество нейтрализуется.

Еще одна проблема заключается в том, что полимеры очень мягкие и могут легко деформироваться. Итак, когда мы пытаемся заглянуть внутрь материалов, чтобы оценить структуру, они могут расплавиться или сломаться. Это затрудняет характеристику материалов, и процесс создания этих микроскопически малых полимерных ламинатов очень медленный.

Современное решение древней проблемы

Несмотря на эти трудности, мы прошли очень долгий путь с тех пор, как древние греки впервые поняли электрический заряд.

Наши исследования за последние три года были посвящены пластмассам и тому, как контролировать химический состав, чтобы влиять на заряд. Это кульминация нового понимания того, как заряжаются пластмассы, что стало возможным благодаря квантовой физике в 1900—х годах и разработке приборов, которые позволяют нам точно определять, что происходит, поскольку нам нужно измерять очень малые токи через очень точные промежутки времени.

Сейчас мы рассматриваем различные способы использования вырабатываемой нами энергии. Это исследование произвело в 400 раз больше энергии, чем когда-либо прежде. Тем не менее, это все еще относительно небольшое количество, поэтому приложения будут отличаться, скажем, от солнечных батарей или других типов массового производства энергии.

На данный момент мы рассмотрели только два типа пластмасс, но существуют еще сотни, которые позволят нам вырабатывать еще больше энергии.

Более вероятно, что генерируемая энергия будет использована у ее источника, поэтому в процессе передачи эта небольшая, но драгоценная энергия не теряется. Существуют также потенциальные области применения для сбора акустической энергии — где вы собираете энергию от разговоров людей и вибраций.

Теперь, когда мы знаем, что можем использовать эти волокна и заказывать их для изготовления заряда, мы можем создавать различные форм-факторы, такие как пустотелая подкладка для внутренней части трубы или набивка, которая может фиксировать, насколько сильно вибрирует отправленная посылка, и начинать разрабатывать ее для решения различных проблем. Это может найти применение, например, при нанесении покрытий на трубы или строительные опоры для использования энергии инфраструктуры.

Преобразующий потенциал этого открытия впечатляет, хотя до него еще несколько лет, поскольку мы узнаем больше о том, как использовать энергию небольших движений для достижения больших успехов.