Obtener electricidad de forma mecánica es una tarea muy importante, porque en el mundo circundante hay muchas cosas que están en constante movimiento: desde las olas del mar hasta la ropa en el cuerpo humano. La importancia de la tarea atrae a un gran número de investigadores en esta área. Como resultado, ahora hay varias formas de recolectar energía mecánica, pero muchas de ellas tienen ciertas desventajas.
Por ejemplo, los generadores de energía electromagnética sufren de baja potencia específica y alto costo de vatios cuando se ajustan a tamaños de milímetros. Las cosechadoras piezoeléctricas y ferroeléctricas son muy adecuadas para pequeñas deformaciones de alta frecuencia, especialmente a frecuencias de microondas resonantes, pero carecen de la elasticidad para recoger energía de grandes deformaciones. Todavía hay recolectores triboeléctricos prometedores, así como métodos para recolectar la generación de electricidad a partir de la interacción de líquidos que fluyen, una serie de métodos electroquímicos, que incluyen la recolección de energía de la deformación de las baterías de litio y los recolectores compuestos de polímero iónico-metal.
Los dieléctricos a base de caucho son los más adecuados para recuperar energía de grandes tensiones mecánicas de tracción. Se coloca una lámina delgada de elastómero en un emparedado entre dos electrodos deformables. Para cargar un condensador altamente elástico, el voltaje (
) aproximadamente 1000 V, como resultado de lo cual el condensador recibe una carga
. Cuando se estira, el dieléctrico de goma se vuelve más delgado, mientras que su resistencia capacitiva aumenta (
), debido a que hay un cambio en la diferencia potencial
. Así es como se genera la energía.
Un gran grupo internacional de científicos de la Universidad de Texas en Dallas, la Universidad Hanyang (Seúl) y otras instituciones educativas y centros de investigación pudieron mejorar este tipo de dieléctricos flexibles utilizando
nanotubos retorcidos . Con su ayuda, fue posible reducir el gran voltaje que se había utilizado previamente para cargar el elastómero.
Los científicos han demostrado nanotubos retorcidos que entregan hasta 250 vatios por kilogramo sin la necesidad de una fuente de alimentación externa con una eficiencia máxima de 30 hertzios, así como hasta 41,2 julios por kilogramo por ciclo mecánico, si se normaliza al peso de los nanotubos.
Según los científicos, una producción de potencia tan alta se debe al remolino extremadamente denso de los nanotubos. A medida que aumenta la densidad de centrifugado, en realidad se convierten en un devanado, y las características de eficiencia mejoran notablemente.
La Figura 1A a continuación muestra diferentes métodos de torsión de nanotubos, pero en realidad se utilizó torsión de cono (primero a la izquierda). El diámetro de la cosechadora es de 50 a 70 micras.
La Figura 1F muestra que el desenrollado del nanotubo en un 8,5% (es decir, 500 rpm) no conduce a una pérdida del efecto de devanado, sino que solo conduce a un aumento en el diámetro del devanado y reduce la densidad causada por la torsión. Pero al mismo tiempo, el rango de deformación por tracción aumenta del 30% al 50%, y el cambio de resistencia según el alargamiento aumenta del 30% al 36%.
Según los científicos, tales cosechadoras se pueden usar en diferentes áreas:
- recolección de energía de las olas del mar
- la conversión de energía térmica en electricidad (junto con músculos artificiales impulsados por el calor)
- Los nanotubos pueden incrustarse en la tela y usarse para alimentar el LED y recargar el condensador incorporado
Es importante tener en cuenta que este no es un estudio puramente teórico. Los científicos realmente ensamblaron un generador operativo de energía de las olas del mar en nanotubos retorcidos y lo probaron en el Mar de Japón. A una temperatura del agua de 13 ° C, una frecuencia de onda de 0.9 Hz a 1.2 Hz, el generador entre el cilindro y el sumidero se limitó a un estiramiento máximo del 25%. Un módulo de diez centímetros con nanotubos retorcidos con un peso de 1.08 mg mostró un voltaje máximo de 46 mV y una potencia de salida promedio de 1.79 μW. Como se muestra en la Figura 4B, cuando se usan más cosechadoras, el voltaje puede aumentar a cualquier valor.
"Si nuestros cosechadores twistron pueden abaratarse, pueden recolectar enormes cantidades de energía de las olas del mar",
dice el Dr. Ray Baugman, director del Instituto NanoTech y uno de los autores del trabajo científico. "Sin embargo, en este momento son los más adecuados para alimentar sensores y comunicaciones sensoriales". Una cosechadora de nanotubos de carbono retorcida que pese solo 31 mg puede proporcionar la energía necesaria para transmitir paquetes de datos de 2 kilobytes hasta 100 metros cada 10 segundos en Internet de las cosas ".
El artículo científico fue
publicado el 25 de agosto de 2017 en la revista
Science (doi: 10.1126 / science.aam8771,
pdf ). Describe el proceso de fabricación de nanotubos retorcidos. Entre los 29 autores del artículo se encuentra Yulia Bykova, del Centro Lintec de América para Nanociencia y Tecnología en Richardson (Texas), que también es bueno, después de todo, el sistema educativo ruso todavía da algún tipo de resultado.