Obter eletricidade de maneira mecânica é uma tarefa muito importante, porque no mundo circundante há muitas coisas em constante movimento: das ondas do mar às roupas do corpo humano. A importância da tarefa atrai um grande número de pesquisadores nessa área. Como resultado, agora existem várias maneiras de coletar energia mecânica, mas muitas delas têm certas desvantagens.
Por exemplo, geradores de energia eletromagnética sofrem com baixa potência específica e alto custo de watts quando dimensionados para tamanhos milimétricos. As colhedoras piezoelétricas e ferroelétricas são bem adequadas para pequenas deformações de alta frequência, especialmente nas frequências de ressonância de microondas, mas elas não têm a elasticidade necessária para coletar energia de grandes deformações. Ainda existem coletores triboelétricos promissores, bem como métodos para coletar geração de eletricidade a partir da interação de líquidos fluidos, uma série de métodos eletroquímicos, incluindo a coleta de energia proveniente da deformação de baterias de lítio e coletores iônicos de polímero-metal composto.
Os dielétricos à base de borracha são mais adequados para recuperar energia de grandes tensões mecânicas de tração. Uma fina folha de elastômero é colocada em um sanduíche entre dois eletrodos deformáveis. Para carregar um capacitor altamente elástico, a tensão (
) cerca de 1000 V, como resultado do qual o capacitor recebe uma carga
. Quando esticado, o dielétrico da borracha se torna mais fino, enquanto sua resistência capacitiva aumenta (
), devido à qual há uma alteração na diferença de potencial
. É assim que a energia é gerada.
Um grande grupo internacional de cientistas da Universidade do Texas em Dallas, da Universidade Hanyang (Seul) e de outras instituições educacionais e centros de pesquisa conseguiu melhorar esse tipo de dielétrico flexível usando
nanotubos torcidos . Com a ajuda deles, foi possível reduzir a grande tensão usada anteriormente para carregar o elastômero.
Os cientistas demonstraram nanotubos retorcidos que fornecem até 250 watts por quilograma sem a necessidade de fonte de alimentação externa com um pico de eficiência de 30 hertz, além de até 41,2 joules por quilograma por ciclo mecânico, se normalizados com o peso dos nanotubos.
Segundo os cientistas, uma produção de alta potência se deve ao turbilhão extremamente denso de nanotubos. À medida que a densidade de rotação aumenta, eles realmente se transformam em um enrolamento - e as características de eficiência melhoram bastante.
A Figura 1A abaixo mostra diferentes métodos de torção de nanotubos, mas, na realidade, a torção de cone foi usada (primeiro à esquerda). O diâmetro da colheitadeira é de 50 a 70 mícrons.
A Figura 1F mostra que o desenrolamento do nanotubo em 8,5% (ou seja, 500 rpm) não leva a uma perda do efeito do enrolamento, mas apenas leva a um aumento no diâmetro do enrolamento e reduz a densidade causada pela torção. Mas, ao mesmo tempo, a faixa de deformação elástica aumenta de 30% para 50% e a mudança na resistência, dependendo do alongamento, aumenta de 30% para 36%.
Segundo os cientistas, essas colheitadeiras podem ser usadas em diferentes áreas:
- coleta de energia das ondas do mar
- a conversão de energia térmica em eletricidade (junto com músculos artificiais movidos a calor)
- nanotubos podem ser incorporados em tecidos e usados para alimentar o LED e recarregar o capacitor embutido
É importante notar que este não é um estudo puramente teórico. Os cientistas realmente montaram um gerador operacional de energia das ondas do mar em nanotubos retorcidos e o testaram no mar do Japão. A uma temperatura da água de 13 ° C, uma frequência de onda de 0,9 Hz a 1,2 Hz, o gerador entre o cilindro e a chumbada estava limitado a um alongamento máximo de 25%. Um módulo de dez centímetros com nanotubos torcidos pesando 1,08 mg mostrou um pico de tensão de 46 mV e uma potência média de saída de 1,79 μW. Como mostra a Figura 4B, ao usar mais ceifeiras, a tensão pode aumentar para qualquer valor.
"Se nossos cortadores de twistron puderem ser baratos, eles podem coletar grandes quantidades de energia das ondas do mar",
diz o Dr. Ray Baugman, diretor do NanoTech Institute e um dos autores do trabalho científico. "No entanto, no momento, eles são mais adequados para alimentar sensores e comunicações sensoriais." Um coletor de nanotubos de carbono trançado pesando apenas 31 mg pode fornecer a energia necessária para transmitir pacotes de dados de 2 kilobytes até 100 metros a cada 10 segundos na Internet das Coisas. ”
O artigo científico foi
publicado em 25 de agosto de 2017 na revista
Science (doi: 10.1126 / science.aam8771,
pdf ). Ele descreve o processo de fabricação de nanotubos torcidos. Entre os 29 autores do artigo está Yulia Bykova, do Centro de Nanociência e Tecnologia Lintec da América, em Richardson (Texas), o que também é bom, mas o sistema educacional russo ainda dá algum tipo de resultado.