يعد الحصول على الكهرباء بطريقة ميكانيكية مهمة مهمة جدًا ، لأنه في العالم المحيط هناك العديد من الأشياء التي تتحرك بشكل مستمر: من أمواج البحر إلى الملابس على جسم الإنسان. إن أهمية المهمة تجتذب عددا كبيرا من الباحثين في هذا المجال. ونتيجة لذلك ، هناك الآن عدة طرق لجمع الطاقة الميكانيكية ، ولكن العديد منها له عيوب معينة.
على سبيل المثال ، تعاني مولدات الطاقة الكهرومغناطيسية من انخفاض الطاقة النوعية والتكلفة العالية للواط عند قياسها إلى أحجام المليمتر. إن آلات الحصاد الكهروإجهادية والكهربائية مناسبة تمامًا للتشوهات الصغيرة عالية التردد ، خاصة عند ترددات الميكروويف الرنانة ، ولكنها تفتقر إلى المرونة لجمع الطاقة من التشوهات الكبيرة. لا تزال هناك حصادات واعدة للكهرباء ، بالإضافة إلى طرق لجمع توليد الكهرباء من تفاعل السوائل المتدفقة ، ومجموعة من الطرق الكهروكيميائية ، بما في ذلك جمع الطاقة من تشوه بطاريات الليثيوم والحصادات المركبة من البوليمر والمعادن الأيونية.
تعتبر العوازل المطاطية هي الأنسب لاستعادة الطاقة من ضغوط الشد الميكانيكية الكبيرة. يتم وضع ورقة رقيقة من المطاط الصناعي في شطيرة بين قطبين مشوهين. لشحن مكثف عالي المرونة ، الجهد (
) حوالي 1000 فولت ، ونتيجة لذلك يتلقى المكثف شحنة
. عند التمدد ، يصبح العازل المطاطي أرق ، بينما تزداد مقاومته السعوية (
) ، بسبب حدوث تغيير في فرق الجهد
. هذه هي الطريقة التي يتم بها توليد الطاقة.
تمكنت مجموعة دولية كبيرة من العلماء من جامعة تكساس في دالاس وجامعة هانيانغ (سيول) والمؤسسات التعليمية ومراكز البحث الأخرى من تحسين هذا النوع من العوازل المرنة باستخدام
الأنابيب النانوية الملتوية . بمساعدتهم ، كان من الممكن تقليل الجهد الكبير الذي تم استخدامه سابقًا لشحن الاستومر.
أظهر العلماء أن الأنابيب النانوية الملتوية توفر ما يصل إلى 250 واط لكل كيلوغرام دون الحاجة إلى مصدر طاقة خارجي مع كفاءة قصوى تبلغ 30 هرتز ، وكذلك ما يصل إلى 41.2 جول لكل كيلوغرام لكل دورة ميكانيكية ، إذا تم تطبيعها إلى وزن الأنابيب النانوية.
وفقا للعلماء ، فإن مثل هذا الناتج العالي الطاقة يرجع إلى الدوران المكثف للغاية للأنابيب النانوية. مع زيادة كثافة الدوران ، تتحول في الواقع إلى لف - وتتحسن خصائص الكفاءة بشكل حاد.
يوضح الشكل 1 أ أدناه طرقًا مختلفة لتدوير الأنابيب النانوية ، ولكن في الواقع تم استخدام التواء المخروط (أولاً على اليسار). يبلغ قطر الحاصدة من 50 إلى 70 ميكرون.
يوضح الشكل 1F أن فك الأنبوب النانوي بنسبة 8.5٪ (أي 500 دورة في الدقيقة) لا يؤدي إلى فقدان تأثير اللف ، ولكنه يؤدي فقط إلى زيادة في قطر اللف ويقلل من الكثافة الناتجة عن الالتواء. ولكن في الوقت نفسه ، يزيد نطاق إجهاد الشد من 30٪ إلى 50٪ ، ويزداد التغيير في المقاومة اعتمادًا على الاستطالة من 30٪ إلى 36٪.
وفقا للعلماء ، يمكن استخدام هذه الحصادات في مناطق مختلفة:
- جمع الطاقة من أمواج البحر
- تحويل الطاقة الحرارية إلى كهرباء (إلى جانب عضلات اصطناعية مدفوعة بالحرارة)
- يمكن تضمين الأنابيب النانوية في القماش واستخدامها لتشغيل LED وإعادة شحن المكثف المدمج
من المهم ملاحظة أن هذه ليست دراسة نظرية بحتة. قام العلماء بالفعل بتجميع مولد تشغيل للطاقة من أمواج البحر على الأنابيب النانوية الملتوية واختبروها في بحر اليابان. عند درجة حرارة الماء 13 درجة مئوية ، وتردد الموجة من 0.9 هرتز إلى 1.2 هرتز ، كان المولد بين الأسطوانة والمغسلة يقتصر على أقصى امتداد 25 ٪. أظهرت وحدة مقاس عشرة سنتيمترات مع أنابيب نانوية ملتوية تزن 1.08 مجم جهد ذروة يبلغ 46 مللي فولت ومتوسط قدرة خرج تبلغ 1.79 μW. كما هو موضح في الشكل 4 ب ، عند استخدام المزيد من الحصادات ، يمكن أن يزيد الجهد إلى أي قيمة.
يقول الدكتور راي بوجمان ، مدير معهد نانو تيك وأحد مؤلفي العمل العلمي: "إذا كان من الممكن شراء حصادات التوستر لدينا ، فيمكنهم جمع كميات هائلة من الطاقة من أمواج البحر". "ومع ذلك ، في الوقت الحالي هم الأنسب لتشغيل أجهزة الاستشعار والاتصالات الحسية." يمكن لحصاد الأنابيب النانوية الكربونية الملتوية الذي يبلغ وزنه 31 مجم فقط توفير الطاقة اللازمة لإرسال رزم بيانات 2 كيلوبايت حتى 100 متر كل 10 ثوانٍ على إنترنت الأشياء ".
تم
نشر المقالة العلمية في 25 أغسطس 2017 في مجلة
Science (doi: 10.1126 / science.aam8771 ،
pdf ). يصف عملية تصنيع الأنابيب النانوية الملتوية. من بين 29 مؤلفًا للمقالة ، هي يوليا بيكوفا من مركز لينتيك أوف أمريكا لعلوم النانو والتكنولوجيا في ريتشاردسون (تكساس) ، وهو أيضًا جيد ، بعد كل شيء ، لا يزال نظام التعليم الروسي يعطي نوعًا من النتائج.