Memperoleh listrik dengan cara mekanis adalah tugas yang sangat penting, karena di dunia sekitarnya ada banyak hal yang bergerak konstan: dari gelombang laut hingga pakaian di tubuh manusia. Pentingnya tugas menarik sejumlah besar peneliti di bidang ini. Akibatnya, sekarang ada beberapa cara untuk mengumpulkan energi mekanik, tetapi banyak dari mereka memiliki kelemahan tertentu.
Sebagai contoh, generator energi elektromagnetik menderita dari daya spesifik yang rendah dan biaya watt yang tinggi ketika ditingkatkan ke ukuran milimeter. Pemanen piezoelektrik dan feroelektrik sangat cocok untuk deformasi kecil berfrekuensi tinggi, terutama pada frekuensi gelombang mikro beresonansi, tetapi tidak memiliki elastisitas untuk mengumpulkan energi dari deformasi besar. Masih ada pemanen triboelektrik yang menjanjikan, serta metode untuk mengumpulkan pembangkit listrik dari interaksi cairan yang mengalir, sejumlah metode elektrokimia, termasuk mengumpulkan energi dari deformasi baterai lithium dan pemanen komposit ion-polimer-logam ionik.
Dielektrik berbasis karet paling cocok untuk memulihkan energi dari tekanan tarik mekanis yang besar. Selembar tipis elastomer ditempatkan dalam sandwich di antara dua elektroda yang dapat dideformasi. Untuk mengisi kapasitor yang sangat elastis, voltase (
) sekitar 1000 V, sebagai akibatnya kapasitor menerima muatan
. Ketika diregangkan, dielektrik karet menjadi lebih tipis, sementara resistensi kapasitifnya meningkat (
), karena ada perubahan dalam perbedaan potensial
. Beginilah cara energi dihasilkan.
Sekelompok besar ilmuwan internasional dari Universitas Texas di Dallas, Universitas Hanyang (Seoul) dan lembaga pendidikan dan pusat penelitian lainnya dapat meningkatkan jenis dielektrik fleksibel ini menggunakan
nanotube bengkok . Dengan bantuan mereka, adalah mungkin untuk mengurangi tegangan besar yang sebelumnya digunakan untuk mengisi daya elastomer.
Para ilmuwan telah menunjukkan memutar nanotube yang menghasilkan hingga 250 watt per kilogram tanpa perlu catu daya eksternal dengan efisiensi puncak 30 hertz, serta hingga 41,2 joule per kilogram per siklus mekanis, jika dinormalisasi dengan berat nanotube.
Menurut para ilmuwan, output daya tinggi seperti ini disebabkan oleh putaran nanotube yang sangat padat. Ketika densitas putaran meningkat, mereka sebenarnya berubah menjadi belitan - dan karakteristik efisiensi meningkat tajam.
Gambar 1A di bawah ini menunjukkan metode yang berbeda dari memutar nanotube, tetapi dalam kenyataannya memutar kerucut digunakan (pertama di sebelah kiri). Diameter pemanen adalah 50 hingga 70 mikron.
Gambar 1F menunjukkan bahwa gulungan nanotube sebesar 8,5% (yaitu 500 rpm) tidak menyebabkan hilangnya efek belitan, tetapi hanya mengarah pada peningkatan diameter belitan dan mengurangi kepadatan yang disebabkan oleh puntiran. Tetapi pada saat yang sama, rentang regangan tarik meningkat dari 30% menjadi 50%, dan perubahan resistansi tergantung pada perpanjangan meningkat dari 30% menjadi 36%.
Menurut para ilmuwan, pemanen tersebut dapat digunakan di berbagai daerah:
- pengumpulan energi gelombang laut
- konversi energi panas menjadi listrik (bersama dengan otot buatan yang digerakkan oleh panas)
- nanotube dapat tertanam dalam kain dan digunakan untuk menyalakan LED dan untuk mengisi ulang kapasitor bawaan
Penting untuk dicatat bahwa ini bukan studi teoritis murni. Para ilmuwan sebenarnya telah merakit generator energi yang beroperasi dari gelombang laut pada nanotube bengkok dan mengujinya di Laut Jepang. Pada suhu air 13 ° C, frekuensi gelombang dari 0,9 Hz hingga 1,2 Hz, generator antara silinder dan sinker dibatasi hingga bentangan maksimum 25%. Modul sepuluh sentimeter dengan nanotube bengkok dengan berat 1,08 mg menunjukkan tegangan puncak 46 mV dan daya output rata-rata 1,79 μW. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4B, saat menggunakan lebih banyak pemanen, tegangan dapat meningkat ke nilai apa pun.
“Jika pemanen twistron kami dapat menjadi lebih murah, mereka dapat mengumpulkan energi dalam jumlah besar dari gelombang laut,”
kata Dr. Ray Baugman, direktur Institut NanoTech dan salah satu penulis karya ilmiah. "Namun, saat ini mereka paling cocok untuk menyalakan sensor dan komunikasi sensorik." Pemanen karbon nanotube bengkok dengan berat hanya 31 mg dapat memberikan energi yang dibutuhkan untuk mengirimkan paket data 2 kilobyte hingga 100 m setiap 10 detik di Internet of Things. ”
Artikel ilmiah ini
diterbitkan pada 25 Agustus 2017 di jurnal
Science (doi: 10.1126 / science.aam8771,
pdf ). Ini menggambarkan proses pembuatan nanotube bengkok. Di antara 29 penulis artikel adalah Yulia Bykova dari Lintec of America Center for Nanoscience and Technology di Richardson (Texas), yang juga bagus, sistem pendidikan Rusia masih memberikan hasil.