Die mechanische Beschaffung von Elektrizität ist eine sehr wichtige Aufgabe, denn in der umgebenden Welt sind viele Dinge in ständiger Bewegung: von Meereswellen bis zu Kleidung am menschlichen Körper. Die Bedeutung der Aufgabe zieht eine große Anzahl von Forschern in diesem Bereich an. Infolgedessen gibt es jetzt mehrere Möglichkeiten, mechanische Energie zu sammeln, aber viele von ihnen haben bestimmte Nachteile.
Beispielsweise leiden Generatoren für elektromagnetische Energie unter einer geringen spezifischen Leistung und hohen Wattkosten, wenn sie auf Millimetergrößen skaliert werden. Piezoelektrische und ferroelektrische Erntemaschinen eignen sich gut für kleine Hochfrequenzstämme, insbesondere bei schwingenden Mikrowellenfrequenzen, aber es fehlt ihnen die Elastizität, um Energie von großen Stämmen zu sammeln. Es gibt immer noch vielversprechende triboelektrische Erntemaschinen sowie Methoden zum Sammeln der Stromerzeugung aus der Wechselwirkung fließender Flüssigkeiten, eine Vielzahl elektrochemischer Methoden, einschließlich des Sammelns von Energie aus der Verformung von Lithiumbatterien und ionischen Polymer-Metall-Verbunderntemaschinen.
Dielektrika auf Gummibasis eignen sich am besten zur Rückgewinnung von Energie aus großen mechanischen Zugspannungen. Eine dünne Elastomerschicht wird in ein Sandwich zwischen zwei verformbaren Elektroden gelegt. Um einen hochelastischen Kondensator aufzuladen, wird Spannung (
) ca. 1000 V, so dass der Kondensator eine Ladung erhält
. Beim Strecken wird das Gummidielektrikum dünner, während sein kapazitiver Widerstand zunimmt (
), wodurch sich die Potentialdifferenz ändert
. So wird Energie erzeugt.
Eine große internationale Gruppe von Wissenschaftlern der University of Texas in Dallas, der Hanyang University (Seoul) und anderer Bildungseinrichtungen und Forschungszentren konnte diese Art flexibler Dielektrika mithilfe
verdrillter Nanoröhren verbessern. Mit ihrer Hilfe war es möglich, die große Spannung zu reduzieren, die zuvor zum Laden des Elastomers verwendet worden war.
Wissenschaftler haben verdrillte Nanoröhren gezeigt, die bis zu 250 Watt pro Kilogramm liefern, ohne dass eine externe Stromversorgung mit einem Spitzenwirkungsgrad von 30 Hertz erforderlich ist, sowie bis zu 41,2 Joule pro Kilogramm pro mechanischem Zyklus, wenn sie auf das Gewicht der Nanoröhren normiert sind.
Laut Wissenschaftlern ist eine derart hohe Leistung auf die extrem dichte Verwirbelung von Nanoröhren zurückzuführen. Mit zunehmender Schleuderdichte verwandeln sie sich tatsächlich in eine Wicklung - und die Wirkungsgrade verbessern sich stark.
Abbildung 1A zeigt verschiedene Methoden zum Verdrillen von Nanoröhren. In Wirklichkeit wurde jedoch die Verdrillung von Kegeln verwendet (zuerst links). Der Durchmesser der Erntemaschine beträgt 50 bis 70 Mikrometer.
1F zeigt, dass das Abwickeln eines Nanoröhrchens um 8,5% (d. H. 500 U / min) nicht zu einem Verlust des Wicklungseffekts führt, sondern nur zu einer Vergrößerung des Durchmessers der Wicklung und zu einer Verringerung der durch Verdrillung verursachten Dichte. Gleichzeitig steigt der Zugspannungsbereich von 30% auf 50% und die Widerstandsänderung in Abhängigkeit von der Dehnung von 30% auf 36%.
Laut Wissenschaftlern können solche Erntemaschinen in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden:
- Energiesammlung von Meereswellen
- die Umwandlung von Wärmeenergie in Elektrizität (zusammen mit wärmegetriebenen künstlichen Muskeln)
- Nanoröhren können in Gewebe eingebettet und zur Stromversorgung der LED und zum Aufladen des eingebauten Kondensators verwendet werden
Es ist wichtig zu beachten, dass dies keine rein theoretische Studie ist. Wissenschaftler haben tatsächlich einen Betriebsgenerator für Energie aus Meereswellen auf verdrillten Nanoröhren zusammengebaut und im Japanischen Meer getestet. Bei einer Wassertemperatur von 13 ° C, einer Wellenfrequenz von 0,9 Hz bis 1,2 Hz, war der Generator zwischen Zylinder und Platine auf eine maximale Dehnung von 25% begrenzt. Ein 10-Zentimeter-Modul mit verdrillten Nanoröhren mit einem Gewicht von 1,08 mg zeigte eine Spitzenspannung von 46 mV und eine durchschnittliche Ausgangsleistung von 1,79 μW. Wie in 4B gezeigt, kann die Spannung bei Verwendung von mehr Erntemaschinen auf einen beliebigen Wert ansteigen.
„Wenn unsere Twistron-Erntemaschinen billiger werden können, können sie große Mengen an Energie aus Meereswellen sammeln“,
sagt Dr. Ray Baugman, Direktor des NanoTech-Instituts und einer der Autoren der wissenschaftlichen Arbeit. "Im Moment sind sie jedoch am besten für die Stromversorgung von Sensoren und sensorischer Kommunikation geeignet." Ein verdrehter Kohlenstoff-Nanoröhren-Harvester mit einem Gewicht von nur 31 mg kann die Energie liefern, die erforderlich ist, um alle 10 Sekunden 2 Kilobyte-Datenpakete bis zu 100 Meter im Internet der Dinge zu übertragen. “
Der wissenschaftliche Artikel wurde am 25. August 2017 in der Zeitschrift
Science (doi: 10.1126 / science.aam8771,
pdf ) veröffentlicht. Es beschreibt den Herstellungsprozess von verdrillten Nanoröhren. Unter den 29 Autoren des Artikels ist Yulia Bykova vom Lintec of America-Zentrum für Nanowissenschaften und Technologie in Richardson (Texas), was auch schön ist, schließlich liefert das russische Bildungssystem immer noch ein Ergebnis.