Obtenir de l'électricité de manière mécanique est une tâche très importante, car dans le monde environnant, il y a beaucoup de choses en mouvement constant: des vagues de la mer aux vêtements sur le corps humain. L'importance de la tâche attire un grand nombre de chercheurs dans ce domaine. En conséquence, il existe maintenant plusieurs façons de collecter l'énergie mécanique, mais beaucoup d'entre elles présentent certains inconvénients.
Par exemple, les générateurs d'énergie électromagnétique souffrent d'une faible puissance spécifique et d'un coût élevé en watts lorsqu'ils sont mis à l'échelle en millimètres. Les récolteuses piézoélectriques et ferroélectriques sont bien adaptées aux petites souches à haute fréquence, en particulier aux fréquences micro-ondes résonnantes, mais elles manquent d'élasticité pour collecter l'énergie des grandes souches. Il existe encore des récolteuses triboélectriques prometteuses, ainsi que des méthodes de collecte de la production d'électricité à partir de l'interaction des liquides en circulation, une multitude de méthodes électrochimiques, notamment la collecte d'énergie à partir de la déformation des batteries au lithium et des récolteuses composites ioniques polymère-métal.
Les diélectriques à base de caoutchouc sont les mieux adaptés pour récupérer l'énergie des grandes contraintes mécaniques de traction. Une fine feuille d'élastomère est placée en sandwich entre deux électrodes déformables. Pour charger un condensateur hautement élastique, la tension (
) environ 1000 V, de sorte que le condensateur reçoit une charge
. Lorsqu'il est étiré, le diélectrique en caoutchouc devient plus mince, tandis que sa résistance capacitive augmente (
), en raison de laquelle il y a un changement dans la différence de potentiel
. C'est ainsi que l'énergie est générée.
Un grand groupe international de scientifiques de l'Université du Texas à Dallas, de l'Université Hanyang (Séoul) et d'autres établissements d'enseignement et centres de recherche ont pu améliorer ce type de diélectriques flexibles à l'aide de
nanotubes torsadés . Avec leur aide, il a été possible de réduire la grande tension qui avait précédemment été utilisée pour charger l'élastomère.
Les scientifiques ont démontré des nanotubes torsadés qui fournissent jusqu'à 250 watts par kilogramme sans avoir besoin d'une alimentation électrique externe avec une efficacité maximale de 30 hertz, ainsi que jusqu'à 41,2 joules par kilogramme par cycle mécanique, s'ils sont normalisés au poids des nanotubes.
Selon les scientifiques, une telle puissance élevée est due au tourbillonnement extrêmement dense des nanotubes. À mesure que la densité de spin augmente, ils se transforment en enroulement - et les caractéristiques d'efficacité s'améliorent fortement.
La figure 1A ci-dessous montre différentes méthodes de torsion des nanotubes, mais en réalité, la torsion du cône a été utilisée (la première à gauche). Le diamètre de la récolteuse est de 50 à 70 microns.
La figure 1F montre que le déroulement d'un nanotube de 8,5% (soit 500 tr / min) n'entraîne pas une perte de l'effet d'enroulement, mais conduit uniquement à une augmentation du diamètre de l'enroulement et réduit la densité causée par la torsion. Mais en même temps, la plage de déformation en traction réversible augmente de 30% à 50% et le changement de résistance dépendant de l'allongement passe de 30% à 36%.
Selon les scientifiques, ces moissonneuses peuvent être utilisées dans différents domaines:
- collecte d'énergie des vagues de la mer
- la conversion de l'énergie thermique en électricité (avec des muscles artificiels entraînés par la chaleur)
- les nanotubes peuvent être intégrés dans le tissu et utilisés pour alimenter la LED et recharger le condensateur intégré
Il est important de noter qu'il ne s'agit pas d'une étude purement théorique. Les scientifiques ont en fait assemblé un générateur d'énergie en fonctionnement à partir des vagues de la mer sur des nanotubes torsadés et l'ont testé dans la mer du Japon. À une température de l'eau de 13 ° C, une fréquence d'onde de 0,9 Hz à 1,2 Hz, le générateur entre le cylindre et le plomb a été limité à une extension maximale de 25%. Un module de dix centimètres avec des nanotubes torsadés pesant 1,08 mg a montré une tension de crête de 46 mV et une puissance de sortie moyenne de 1,79 μW. Comme le montre la figure 4B, lorsque vous utilisez plus d'abatteuses, la tension peut augmenter à n'importe quelle valeur.
«Si nos récolteuses twistron peuvent être bon marché, elles peuvent collecter d'énormes quantités d'énergie des vagues de la mer»,
explique le Dr Ray Baugman, directeur de l'Institut NanoTech et l'un des auteurs des travaux scientifiques. "Cependant, pour le moment, ils sont les mieux adaptés pour alimenter les capteurs et les communications sensorielles." Une récolteuse de nanotubes de carbone torsadée ne pesant que 31 mg peut fournir l'énergie nécessaire pour transmettre des paquets de données de 2 kilo-octets jusqu'à 100 m toutes les 10 secondes sur l'Internet des objets. »
L'article scientifique a été
publié le 25 août 2017 dans la revue
Science (doi: 10.1126 / science.aam8771,
pdf ). Il décrit le processus de fabrication des nanotubes torsadés. Yulia Bykova, du Lintec of America Center for Nanoscience and Technology à Richardson (Texas), est également parmi les 29 auteurs de l'article, ce qui est également agréable, après tout, le système éducatif russe donne toujours une sorte de résultat.