Menschenbatterien: Theoretische Analyse von Nanogeneratoren basierend auf dem triboelektrischen Effekt

Eines der dringendsten Probleme unserer Zeit ist die Energie oder vielmehr ihr Mangel. Die natürlichen Ressourcen des Landes werden mit dem Bevölkerungswachstum erschöpft. Daher wandten sich die Menschen erneuerbaren Energiequellen zu, deren Nutzung die unvermeidliche Energiekrise lösen kann. Geothermie, Sonne, Wasserkraft - all dies sind erneuerbare, nahezu unbegrenzte Energiequellen (im Maßstab des menschlichen Lebens). Aber es gibt noch eine andere Quelle, die eher als Science-Fiction-Autoren als als Wissenschaftler bezeichnet wird. Das ist der Mann selbst. Aber niemand wird ein paar Drähte an den menschlichen Körper anschließen und ihn mit „Gelee“ in Kapseln füllen. Die Theorie, die heute diskutiert wird, basiert auf der Ausnutzung des triboelektrischen Effekts, der es einer Person ermöglicht, eine Energiequelle für tragbare Geräte (Uhren, Telefone usw.) zu werden. Versuchen wir herauszufinden, was das Wesentliche dieser Studie ist. Lass uns gehen.

Theoretische Grundlage

Wie bereits erwähnt, ist der triboelektrische Effekt * vor wenigen Zeilen die Grundlage dieser theoretischen Studie.

Der triboelektrische Effekt * ist in einfachen Worten das Auftreten elektrischer Ladungen aufgrund von Reibung.

Die Existenz dieses physikalischen Phänomens war im antiken Griechenland bekannt. Thales of Miletus ist der Autor der Beobachtung der Triboelektrizität durch Reiben von Bernstein mit Wolle, wodurch der erste die Fähigkeit erhielt, kleine Gegenstände (Haare, Papier usw.) anzuziehen. In der Folge diente die griechische Version des Wortes „Bernstein“ (ἤλεκτρον - ēlektron) als Grundlage für das Wort „Elektrizität“. In jenen Tagen wussten sie jedoch wenig über Elektrizität, ihre Arten und Eigenschaften. Viele Jahrhunderte vergingen, bis der Prozess der systematischen Untersuchung dieses Phänomens begann.


Briefmarke (1994, Griechenland) mit dem Bild von Thales von Milet und Bernstein, die aufgrund des triboelektrischen Effekts einen Stift anzieht.

Wie manifestiert sich der triboelektrische Effekt in der Praxis? Alles ist sehr einfach. Wenn Sie zwei Objekte aneinander reiben, erhalten wir aufgrund dieses Effekts statische Elektrizität. Alles, was uns umgibt, besteht aus Atomen, in deren Zentrum sich ein positiv geladener Kern befindet, der von Elektronen umgeben ist. Aufgrund der interatomaren Wechselwirkung beginnen sich die Elektronen des zweiten zu dem ersten zu verschieben, wenn die Anziehungskraft der Atome in einem Objekt stärker ist. Somit nimmt ein Objekt Elektronen auf und das andere verliert sie, was das Auftreten statischer Ladungen ist.


Dieses Video erklärt ganz klar das Prinzip des triboelektrischen Effekts und zeigt auch die Erfahrung, die Sie zu Hause wiederholen können.

Natürlich sind nicht alle Materialien gleich. Einige akkumulieren besser eine positive Ladung, andere eine negative. Daher werden Materialien, die zur Manifestation des triboelektrischen Effekts neigen, in die sogenannte triboelektrische Reihe (von positiv nach negativ) eingeordnet.

Der triboelektrische Effekt ist jedoch nur ein Teil der Studie. Darüber hinaus spielen Nanogeneratoren eine wichtige Rolle - Geräte, die mechanische oder thermische Energie in Elektrizität umwandeln können. Der Nanogenerator mit triboelektrischem Effekt (TENG) ist nicht so alt wie die Erfahrung mit Thales-Bernstein und wurde erstmals 2012 demonstriert.

Das Sammeln von Energie mit diesem wundersamen Gerät ist eine vielversprechende Branche, daher entwickeln viele Forschungsgruppen neue Wege, um diese Technik zu implementieren. Stellen Sie sich vor: Sie laufen durch die Stadt und Ihr Telefon wird aufgrund Ihrer Bewegung aufgeladen. Es klingt sehr cool, aber es gibt eine Reihe von Problemen, die wir noch nicht herausgefunden haben, sodass wir nicht einmal eine Vielzahl von Nanogeneratoren in den Regalen von Elektronikgeschäften für jeden Geschmack sehen.

Studienbasis

Das Hauptziel der Studie war es, die Eigenschaften und Merkmale von Nanogeneratoren auf der Grundlage des triboelektrischen Effekts sowie die theoretische Begründung der Probleme bei der Implementierung einer solchen Technologie zu identifizieren.


TENG-Schema.

Die Forscher weisen darauf hin, dass in TENG mindestens eine nichtleitende triboelektrische Oberfläche vorhanden ist, weshalb ihre interne Impedanz (Impedanz) ziemlich hoch ist. Und wenn sich die triboelektrischen Schichten bewegen, kann sie noch mehr zunehmen. Infolgedessen ist es nur bei hohem Lastwiderstand möglich, die erforderliche Leistung aus TENG durch eine externe Last effektiv zu extrahieren.

Die überwiegende Mehrheit der Geräte erfüllt diese Anforderungen nicht, weshalb ein beeindruckender Anteil der potenziell nützlichen Leistung aufgrund von Impedanzfehlanpassungen verloren geht.

Wissenschaftler argumentieren, dass das Verständnis der Eigenschaften der Energieumwandlung und Energieübertragung auf der Grundlage von Impedanzänderungen die Grundlage für die Verbesserung von TENG-Geräten ist.

Experimentelle Installationsarchitektur

Es gibt verschiedene Mechanismen für den Betrieb von Nanogeneratoren. In dieser Studie wurde ein vertikales Kontakttrennungsmodell verwendet.


Schema triboelektrischer Schichten.

Im obigen Diagramm sehen wir 2 TENG-Schichten mit positiven und negativen Ladungen. Jede Schicht besteht aus mehreren Komponenten: einer Base aus In ₂ O ₃ / Ag / Au (blaue Unterschicht), PET-Polyethylenterephthalat (orangefarbene Unterschicht) und PDMS (PDMS) - Polydimethylsiloxan (grüne Unterschicht). Die Größe der Schichten betrug 50 × 50 mm und die Dicke betrug 0,22 mm der ersten und 0,2 mm der zweiten Schicht.

Die triboelektrische Ladungsdichte betrug 40,7 uC / m & supmin; ² (uC - Mikrocoulomb). Und die Dielektrizitätskonstante war gleich: 3,24 & epsi; ₀ für die erste Schicht und 3,3 & epsi; ₀ für die zweite Schicht, wobei & epsi; ₀ die Dielektrizitätskonstante des leeren Raums ist.


Das Aussehen des Versuchsaufbaus.

Die im obigen Bild gezeigte Installation besteht aus einem Linearmotor, einer beweglichen Basis, Isolatoren, zwei TENG-Schichten, einem Lastsensor und elektrischen Anschlüssen.

Diese Installation befand sich in einem Raum mit einer Temperatur von 20 ° C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 55% (je niedriger die Luftfeuchtigkeit, desto besser die Ladungsübertragung, wie im Video angegeben). Der Motor ließ die Schichten mit einer bestimmten Periodizität in Kontakt kommen. Je mehr solche Kontakte (Reibung) vorhanden sind, desto höher ist der Ladungsdichteindex. In diesem Experiment wurden insgesamt 3.000 Schichtberührungen vorgenommen.

Ergebnisanalyse

Nach den Experimenten sammelten die Wissenschaftler alle Daten und kategorisierten bei ihrer Analyse eine Reihe von Faktoren, die den Betrieb von TENG-Geräten beeinflussen:

• Bewegung: Frequenz, Amplitude und berührungslose / berührungslose Bewegungsarten;
• Gerät: Materialeigenschaften und Abmessungen des TENG-Geräts.

Und jetzt ein bisschen mehr über jeden.

Frequenz



Die obige Grafik ( a ) ist ein Vergleich der Spitzenleistungsindizes des theoretischen DDEF-Modells (entfernungsabhängiges elektrisches Feld) und der Theorie der TENG-Schichten bei verschiedenen Frequenzen (von 0,1 Hz bis 1000 Hz). Grafik ( b ) zeigt wiederum einen Vergleich der Daten des DDEF-Modells, der Theorie der TENG-Schichten sowie experimenteller Daten, die experimentell bei einer Frequenz von 0,1 Hz bis 10 Hz erhalten wurden.

Es ist deutlich zu sehen, dass mit zunehmender Frequenz auch die Ausgangsleistung zunimmt. Die tatsächliche Häufigkeit in der Praxis ist jedoch durch die menschliche Physiologie begrenzt (mit anderen Worten, wir können uns nicht wie der tasmanische Teufel von Looney Tunes bewegen). Die Forscher sind jedoch nicht verärgert, da es eine Möglichkeit gibt, niedrige Frequenzen in höhere umzuwandeln. Zum Beispiel ein mechanischer Regler bestehend aus einer Schraubenfeder, einem Getriebe, einem Nockenmechanismus und einem Schwungrad. Angesichts der obigen Details ist das Gerät so einfach, dass es eine Frequenz von 50 Hz liefern kann. (Forscher zitieren Divij Bhatias Arbeit, die hier zum Download zur Verfügung steht).

Es stellt sich heraus, dass es einfache und effektive Möglichkeiten gibt, die Frequenz und damit die Ausgangsleistung zu erhöhen. Es ist jedoch anzumerken, dass die Frequenz auch nicht größer als ein bestimmter Pegel (10 GHz) sein kann, was mit dielektrischen Verlusten verbunden ist, die bei hohen Frequenzen auftreten.

Amplitude

Um zu überprüfen, wie sich die Bewegungsamplitude auf die Ausgangsleistungsindikatoren auswirkt, wurde der Frequenzpegel als Konstante auf 1 Hz eingestellt, damit dieser Parameter die Messung des Einflusses ausschließlich der Amplitude nicht beeinflusst.



Oben sind zwei Diagramme dargestellt: theoretische Ergebnisse und experimentelle. Der Trend zu Beginn ähnelt einer Frequenzerhöhung, dh die Ausgangsleistung steigt mit zunehmender Amplitude. Wenn jedoch ein bestimmtes Niveau (1 mm) erreicht ist, beginnt es abzunehmen. Somit ist die Bewegungsamplitude ein sehr instabiler Faktor. Genauer gesagt ist dies ein Parameter mit einem engen Bereich, da wir mit einer zu niedrigen oder zu hohen Amplitude nicht das gewünschte Ergebnis erzielen. Die Wissenschaftler beabsichtigen, die Auswirkung der Amplitude auf die Ausgangsleistungserzeugung genauer zu untersuchen und Wege zu finden, um diesen Faktor zu optimieren.

Kontakt- / berührungslose Fahrmodi

Triboelektrische Schichten sollten sich während Bewegungszyklen berühren, richtig? Fast. Einige Geräte arbeiten im berührungslosen Modus, wenn sie vollständig aufgeladen sind. Daher muss überprüft werden, wie sich der Abstand zwischen den Schichten auf das Ergebnis des TENG-Geräts auswirkt. Während des Tests betrug die Frequenz 1 Hz und die Amplitude 1 mm, wiederum Konstanten, um die Überprüfung des erforderlichen Parameters nicht zu beeinträchtigen.



Und wieder beobachten wir zwei Graphen (Theorie und Experiment). Es ist logisch, dass die Vergrößerung des Spaltes zwischen den Schichten der Ausgangsleistung zu sinken beginnt. Die Werte fielen von ~ 430 auf ~ 150 nA (Nanoampere), als der Spalt 500 & mgr; m erreichte. In diesem Fall stieg der Widerstand von 1 GOhm (Gigaohm) bei einer Unterbrechung von 0 auf 5 GOhm bei einer Unterbrechung von 500 & mgr; m.

Und wieder hindert die harte Realität Wissenschaftler daran, Wolkenburgen zu bauen. Die Schlussfolgerung ist einfach: Der Abstand zwischen den arbeitenden TENG-Schichten ist ein kritischer Parameter. Genauer gesagt, das Fehlen von Lufträumen zwischen ihnen. Es ist klar, dass beim Trennen die Schichten sozusagen „divergieren“, aber es sollte keine Luft zwischen ihnen sein. Dieses Problem kann beispielsweise durch Verwendung von Polymeren wie Polydimethylsiloxan in der TENG-Architektur gelöst werden.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Amplitude und Frequenz nicht höher als der Grenzwert sowie der Abstand zwischen den Schichten sein sollten, damit das System effizient arbeitet. Das sind eigentlich ziemlich starke Einschränkungen. Viele Forschungsgruppen, einschließlich dieser, arbeiten jedoch daran, die Auswirkungen dieser Parameter auf die Leistung von TENG-Geräten zu verringern.

Lassen Sie uns nun überlegen, wie die Geräte selbst aussehen sollten, um alle Vorteile der TENG-Technologie voll ausschöpfen zu können. Denn eine wichtige Rolle beim Betrieb eines Gerätes spielen nicht nur physikalische Phänomene, sondern auch was und wie das Gerät hergestellt wird. Wie sie sagen, egal wie viel Sie einen Speer aus Pappmaché werfen, er wird nicht über einen normalen Speer hinausfliegen.

Materialeigenschaften

Erinnern wir uns daran, dass die triboelektrische Ladungsdichte direkt von mehreren Faktoren abhängt: der triboelektrischen Reihe (je weiter die Substanzen voneinander entfernt sind, desto besser interagieren sie, dies wird im obigen Video erwähnt), der Strukturierung triboelektrischer Oberflächen, der Kontaktfläche unter dem Einfluss der ausgeübten Kraft und Umweltfaktoren .

Um zu überprüfen, was und wie es was beeinflusst, wurde das DDEF-Modell mit sinusförmiger Bewegung (Frequenz = 1 Hz, Amplitude = 1 mm) verwendet, während die Geräteparameter mit denen im praktischen Experiment übereinstimmen.

Die Datenanalyse zeigt, dass der Ausgangsleistungsindex mit zunehmender Ladungsdichte zunimmt. In diesem Fall ändert sich die interne Impedanz nicht, wenn sich die Ladungsdichte ändert.

Änderungen der Umgebungsparameter wie Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Druck wirken sich natürlich auf die Ladungsdichte aus und machen diesen Indikator instabil. Wenn das Gerät in einer kontrollierten Umgebung betrieben wird, kann die Stabilität dieses Indikators beibehalten werden. Das ist natürlich sehr traurig, denn in der Praxis werden wir unsere Geräte nicht nur unter bestimmten Bedingungen verwenden. Daher wurde dieser Moment auch von Wissenschaftlern zur weiteren Verfeinerung und Forschung gesendet.

Wissenschaftler stellen außerdem fest, dass dieses theoretische Experiment, obwohl es lebhafte Beziehungen zeigt, in der Praxis äußerst schwierig umzusetzen ist, da das Ändern eines Materialparameters in der Realität das Ersetzen des Materials selbst bedeutet, was das Ändern aller anderen Eigenschaften bedeutet.

Physikalische Abmessungen

Wenn es um tragbare Geräte geht, verstehen wir, dass deren Bestandteile so klein wie möglich sein sollten (Entschuldigung für das Wortspiel). Aber es gibt eine gewisse Grenze, eine Grenze, die überschritten wurde, dass wir die Effizienz für die geringe Größe opfern.



Die beiden obigen Grafiken zeigen die Ergebnisse der Messung der Ausgangsleistung, wenn sich die Dicke der PDMS-Schicht ändert (Theorie links und Experiment rechts). Mit zunehmender PDMS-Dicke nimmt der Ausgangsleistungsindex ab. Dieser theoretische Trend wurde in der Praxis bestätigt, wie sich aus dem Vergleich beider Diagramme ergibt.

Ein elektrisches Feld mit einer geladenen Oberfläche der TENG-Schicht sollte sich bei größerer Dicke des PDMS zu einer größeren Entfernung erstrecken, um die Grenzfläche zwischen Elektrode und Dielektrikum zu erreichen, an der die Induktion von Ausgangsladungen auftritt. Dies führt zu einer Schwächung des elektrischen Feldes, was anschließend zu einer Abnahme der Ausgangsleistung und einer Erhöhung der Impedanz führt. Das Prinzip "je mehr desto besser" wird hier also nicht angewendet.



Beim Ändern ist die Länge der Situation unterschiedlich. Die Ausgangsleistung erhöht sich, wenn das Gerät verlängert wird, wenn Sie die obigen Abbildungen mit einer Länge von 50 mm und 1000 mm vergleichen. Das ist gut, weil mehr Fläche - mehr Leistung. Bei kompakten Geräten, die TENG-Geräte grundsätzlich aufladen sollen, könnte man sie jedoch kaum als solche bezeichnen, wenn sie einen Meter lang wären.

Details der Studie (theoretische Modelle, Formeln, Berechnungen usw.) finden sich im Bericht von Wissenschaftlern und auf weiteren Kontinenten dazu.

Nachwort

Ziel dieser Studie war es, die Eigenschaften, wichtigen Einflussfaktoren und Merkmale triboelektrischer Nanogeneratoren zu beschreiben. Die Forscher selbst sagen, dass ihre Arbeit bei zukünftigen Entwicklungen von TENG-Geräten helfen sollte, da sie die Vor- und Nachteile dieser Technologie klar aufzeigt. Und wie wir sehen, bleibt noch viel zu tun, damit wir uns endlich keine Sorgen mehr machen, dass unsere tragbaren Geräte während eines Spaziergangs entladen werden.

Energie war schon immer ein Wert für die Menschheit, unabhängig von ihrer Art. Aber wenn wir früher nur aufgeräumt haben, was der Planet uns gibt, müssen wir jetzt nach Wegen suchen, um Energie zu erzeugen, was für alle ausreicht. Es ist nur schade, dass die Tatsache, dass wir die natürlichen Ressourcen praktisch erschöpft haben, zu einem Anreiz wurde, eine solche Suche zu starten. Wie jemand sagte (ich erinnere mich nicht an wen): Warum nicht alles zwischen allen teilen? Aber weil es nur wenige gibt, aber viele. Hoffen wir, dass sich dies in Energieangelegenheiten früher oder später ändern wird.

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