Pessoas-baterias: análise teórica de nanogeradores com base no efeito triboelétrico

Um dos problemas mais prementes do nosso tempo é a energia, ou melhor, a falta. Os recursos naturais da terra são esgotados à medida que a população cresce. Portanto, as pessoas se voltaram para fontes de energia renováveis, cujo uso pode resolver a inevitável crise energética. Energia geotérmica, solar, hidrelétrica - todas essas são fontes de energia renovável, quase ilimitada (na escala da vida humana). Mas há outra fonte chamada escritores de ficção científica, e não cientistas. Este é o próprio homem. Mas ninguém vai conectar um monte de fios ao corpo humano e colocá-lo em cápsulas com “geléia”. A teoria que será discutida hoje é baseada na exploração do efeito triboelétrico, que permitirá que uma pessoa se torne uma fonte de energia para dispositivos portáteis (relógios, telefones, etc.). Vamos tentar descobrir qual é a essência deste estudo. Vamos lá

Base teórica

Como já mencionado, apenas algumas linhas atrás, o efeito triboelétrico * é a base deste estudo teórico.

O efeito triboelétrico * é, em palavras simples, o aparecimento de cargas elétricas devido ao atrito.

A existência desse fenômeno físico era conhecida na Grécia antiga. Thales of Miletus é o autor da observação da triboeletricidade esfregando âmbar com lã, devido à qual o primeiro recebeu a capacidade de atrair objetos pequenos (cabelos, papel, etc.). Posteriormente, foi a versão grega da palavra "âmbar" (ἤλεκτρον - ēlektron) que serviu de base para a palavra "eletricidade". No entanto, naquela época eles sabiam pouco sobre eletricidade, seus tipos e propriedades. Muitos séculos se passaram até o início do processo de estudo sistemático desse fenômeno.


Selo postal (1994, Grécia) com a imagem de Thales de Mileto e âmbar, atraindo uma caneta devido ao efeito triboelétrico.

Como o efeito triboelétrico se manifesta na prática? Tudo é extremamente simples. Se você esfregar dois objetos um contra o outro, obteremos eletricidade estática devido a esse mesmo efeito. Tudo o que nos rodeia consiste em átomos, no centro dos quais há um núcleo carregado positivamente, cercado por elétrons. Devido à interação interatômica, se a atração de átomos em um objeto é mais poderosa, os elétrons do segundo começam a mudar para o primeiro. Assim, um objeto adquire elétrons e o outro os perde, que é a ocorrência de cargas estáticas.


Este vídeo explica claramente o princípio do efeito triboelétrico e também mostra a experiência que você pode repetir em casa.

Naturalmente, nem todos os materiais são iguais. Alguns melhor acumulam uma carga positiva, outros negativos. Portanto, materiais propensos à manifestação do efeito triboelétrico são colocados na chamada série triboelétrica (de positivo para negativo).

Mas o efeito triboelétrico é apenas parte do estudo. Além disso, um papel importante é desempenhado pelos nanogeradores - dispositivos capazes de converter energia mecânica ou térmica em eletricidade. O nanogerador de efeito triboelétrico (TENG) não é tão antigo quanto a experiência com o âmbar Thales e foi demonstrado pela primeira vez em 2012.

A coleta de energia usando esse dispositivo milagroso é uma indústria muito promissora; portanto, muitos grupos de pesquisa estão desenvolvendo novas maneiras de implementar essa técnica. Imagine: você está andando pela cidade e seu telefone está carregando devido ao seu movimento. Parece muito legal, mas há uma série de problemas que ainda não descobrimos, então nem vemos uma variedade de nanogeradores nas prateleiras das lojas de eletrônicos para todos os gostos.

Base de estudo

O principal objetivo do estudo foi identificar as propriedades e características dos nanogeradores com base no efeito triboelétrico, bem como a justificativa teórica dos problemas de implementação dessa tecnologia.


Esquema TENG.

Os pesquisadores apontam que pelo menos uma superfície triboelétrica não condutora está presente no TENG, razão pela qual sua impedância interna (impedância) é bastante alta. E quando as camadas triboelétricas se movem, elas podem aumentar ainda mais. Como resultado, é possível extrair efetivamente a energia necessária do TENG através de uma carga externa somente em caso de alta resistência à carga.

A grande maioria dos dispositivos não atende a esses requisitos, razão pela qual uma parcela impressionante de energia potencialmente útil será perdida, devido à incompatibilidade de impedâncias.

Os cientistas argumentam que o entendimento das características da conversão e transmissão de energia com base em mudanças na impedância é a base para melhorar os dispositivos TENG.

Arquitetura de Instalação Experimental

Existem vários mecanismos para a operação de nanogeradores. Neste estudo, foi utilizado um modelo de separação de contato vertical.


Esquema de camadas triboelétricas.

No diagrama acima, vemos duas camadas TENG com cargas positivas e negativas. Cada camada é composta por vários componentes: uma base de In ₂ O ₃ / Ag / Au (subcamada azul), PET - tereftalato de polietileno (subcamada laranja) e PDMS (PDMS) - polidimetilsiloxano (subcamada verde). O tamanho das camadas era de 50 x 50 mm e a espessura era de 0,22 mm da primeira e 0,2 mm da segunda camada.

A densidade de carga triboelétrica foi de 40,7 μC / m ^-2 (μC - microcoulomb). E a constante dielétrica foi igual a: 3,24ε ₀ para a primeira camada e 3,3ε ₀ para a segunda, onde ε ₀ é a constante dielétrica do espaço vazio.


A aparência da configuração experimental.

A instalação mostrada na figura acima consiste em um motor linear, uma base móvel, isoladores, duas camadas TENG, um sensor de carga e conexões elétricas.

Esta instalação foi localizada em uma sala com temperatura de 20 ° C e umidade relativa de 55% (quanto menor a umidade, melhor a transferência de cargas, conforme indicado no vídeo). O motor permitiu que as camadas entrassem em contato com uma certa periodicidade. Quanto mais contatos (atrito), maior o índice de densidade de carga. Um total de 3.000 toques na camada foram feitos neste experimento.

Análise de Resultados

Após os experimentos, os cientistas coletaram todos os dados e, analisando-os, categorizaram vários fatores que afetam a operação dos dispositivos TENG:

• Movimento: frequência, amplitude e modos de movimento de contato / sem contato;
• Dispositivo: propriedades e dimensões do material do dispositivo TENG.

E agora um pouco mais sobre cada um.

Frequência



O gráfico acima ( a ) é uma comparação dos índices de pico de potência do modelo teórico de DDEF (campo elétrico dependente da distância) e a teoria das camadas TENG em diferentes frequências (de 0,1 Hz a 1000 Hz). Por sua vez, o gráfico ( b ) mostra uma comparação dos dados do modelo DDEF, a teoria das camadas TENG mais os dados experimentais obtidos experimentalmente a uma frequência de 0,1 Hz a 10 Hz.

É claramente visto que, com o aumento da frequência, a potência de saída também aumenta. No entanto, a frequência real na prática é limitada pela fisiologia humana (em outras palavras, não podemos nos mover como o diabo da Tasmânia de Looney Tunes). No entanto, os pesquisadores não se aborrecem, pois existe uma maneira de converter baixas frequências em altas. Por exemplo, um regulador mecânico que consiste em uma mola helicoidal, uma transmissão de engrenagem, um mecanismo de came e um volante. Tão simples, dados os detalhes acima, o dispositivo é capaz de fornecer uma frequência de 50 Hz. (Os pesquisadores citam o trabalho de Divij Bhatia, disponível para download aqui ).

Acontece que existem maneiras, simples e eficazes, de aumentar a frequência e, portanto, a potência de saída. No entanto, vale ressaltar que a frequência também não pode ser superior a um determinado nível (10 GHz), o qual está associado a perdas dielétricas que ocorrem em altas frequências.

Amplitude

Para verificar como a amplitude dos movimentos afeta os indicadores de potência de saída, o nível de frequência foi definido em 1 Hz, como uma constante, para que este parâmetro não afete a medição da influência da amplitude exclusiva.



Dois gráficos são apresentados acima: resultados teóricos e experimentais. A tendência no início é semelhante a um aumento na frequência, ou seja, a potência de saída aumenta com o aumento da amplitude. No entanto, quando um certo nível (1 mm) é atingido, ele começa a diminuir. Assim, a amplitude de movimento é um fator muito instável. Mais precisamente, este é um parâmetro com uma faixa estreita, porque com amplitude muito baixa ou muito alta, não obteremos o resultado desejado. Os cientistas pretendem estudar mais detalhadamente o efeito da amplitude na geração de energia de saída, bem como encontrar maneiras de otimizar esse fator.

Modos de condução por contato / sem contato

Camadas triboelétricas devem tocar durante os ciclos de movimento, certo? Quase. Alguns dispositivos operam no modo sem contato quando estão totalmente carregados. Portanto, é necessário verificar como a distância entre as camadas afeta o resultado do dispositivo TENG. Durante o teste, a frequência foi de 1 Hz e a amplitude foi de 1 mm, novamente constante, para não interferir na verificação do parâmetro requerido.



E novamente observamos dois gráficos (teoria e experimento). É lógico que o aumento da diferença entre as camadas da potência de saída comece a cair. Os valores caíram de 30430 para 50150 nA (nanoamperes) quando o intervalo atingiu 500 μm. Nesse caso, a resistência aumentou de 1 GOhm (gigaohm) com uma quebra de 0 a 5 GOhm com uma quebra de 500 μm.

E, novamente, a dura realidade impede os cientistas de construir castelos nas nuvens. A conclusão é simples - a distância entre as camadas TENG de trabalho é um parâmetro crítico. Mais precisamente, a ausência de espaços aéreos entre eles. É claro que, no processo de separação, as camadas “divergem”, por assim dizer, mas não deve haver ar entre elas. Esse problema pode ser resolvido, por exemplo, usando polímeros como o polidimetilsiloxano na arquitetura TENG.

Concluindo, pode-se notar que a amplitude e a frequência não devem ser superiores ao nível limite, bem como a distância entre as camadas, para que o sistema funcione com eficiência. Essas são limitações bastante fortes, na verdade. No entanto, muitos grupos de pesquisa, incluindo este, estão trabalhando para reduzir o impacto desses parâmetros no desempenho dos dispositivos TENG.

Agora, vamos considerar o que os dispositivos devem ser para tirar o máximo proveito de todos os benefícios da tecnologia TENG. Um papel importante na operação de qualquer dispositivo é desempenhado não apenas por fenômenos físicos, mas também pelo que e como o dispositivo é fabricado. Como se costuma dizer, não importa o quanto você jogue uma lança de papel machê, ela não voará além de uma lança normal.

Propriedades do material

Lembremo-nos de que a densidade de carga triboelétrica depende diretamente de vários fatores: a série triboelétrica (quanto mais as substâncias estiverem umas das outras, melhor elas interagem, isso é mencionado no vídeo acima), a estruturação de superfícies triboelétricas, a área de contato sob a influência da força aplicada e fatores ambientais .

Para verificar o que e como isso afeta o quê, o modelo DDEF foi usado com movimento sinusoidal (frequência = 1 Hz, amplitude = 1 mm), enquanto os parâmetros do dispositivo coincidem com os do experimento prático.

A análise dos dados mostra que o índice de potência de saída aumenta com o aumento da densidade de carga. Nesse caso, a impedância interna não muda quando a densidade de carga muda.

Porém, alterações nos parâmetros ambientais, como umidade, temperatura e pressão, afetam naturalmente a densidade da carga, tornando esse indicador instável. Se o dispositivo operar em um ambiente controlado, é possível manter a estabilidade desse indicador. Obviamente, isso é muito triste, porque na prática não usaremos nossos dispositivos apenas em determinadas condições. Portanto, esse momento também foi enviado pelos cientistas para aperfeiçoamento e pesquisa.

Os cientistas também observam que esse experimento teórico, embora mostre relações vívidas, é extremamente difícil de implementar na prática, pois alterar um parâmetro material na realidade significa substituir o próprio material, o que significa alterar todas as outras propriedades.

Dimensões físicas

Quando se trata de dispositivos portáteis, entendemos que os componentes devem ser o menor possível (desculpe pelo trocadilho). Mas há um certo limite, uma linha, depois de cruzarmos que sacrificamos a eficiência por uma questão de tamanho pequeno.



Os dois gráficos acima representam os resultados da medição da potência de saída quando a espessura da camada PDMS muda (teoria à esquerda e experimento à direita). Com o aumento da espessura do PDMS, o índice de potência de saída diminui. Essa tendência teórica foi confirmada na prática, como pode ser visto se compararmos os dois gráficos.

Um campo elétrico com uma superfície carregada da camada TENG deve se estender a uma distância maior quando a espessura do PDMS for maior para alcançar a interface eletrodo-dielétrica, onde ocorre a indução de cargas de saída. Isso leva a um enfraquecimento do campo elétrico, que posteriormente leva a uma diminuição na potência de saída e um aumento na impedância. Portanto, o princípio "quanto mais, melhor" não é aplicado aqui.



Ao alterar a duração da situação é diferente. A potência de saída aumenta quando o dispositivo é alongado, se você comparar as figuras acima com um comprimento de 50 mm e 1000 mm. Isso é bom, porque mais área - mais poder. No entanto, para dispositivos compactos, que os dispositivos TENG visam basicamente carregar, dificilmente poderia ser chamado assim se tivessem um metro de comprimento.

Detalhes do estudo (modelos teóricos, fórmulas, cálculos etc.) podem ser encontrados no relatório de cientistas e em outros continentes .

Epílogo

Este estudo teve como objetivo descrever as características, importantes fatores de influência e características dos nanogeradores triboelétricos. Os próprios pesquisadores dizem que seu trabalho deve ajudar no desenvolvimento futuro de dispositivos TENG, pois indica claramente as vantagens e desvantagens dessa tecnologia. E, como vemos, ainda há muito trabalho a ser feito, para que finalmente paremos de nos preocupar com o fato de nossos dispositivos portáteis serem descarregados durante uma caminhada.

A energia sempre foi um valor para a humanidade, independentemente do seu tipo. Mas se antes apenas limpamos o que o planeta nos dá, agora precisamos procurar maneiras de gerar energia, o que é suficiente para todos. É uma pena que o fato de termos praticamente esgotado os recursos naturais tenha se tornado um incentivo para iniciar essa busca. Como alguém disse (não lembro quem): por que não compartilhar tudo entre todos? Mas porque existem poucos, mas muitos. Vamos torcer para que, em matéria de energia, isso mude, mais cedo ou mais tarde.

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