2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Ingenieure der Michigan State University haben einen Nano-Generator für batterielose Selbstladegeräte entwickelt: Er ermöglicht es Ihnen, die Energie aus der Berührung eines Touchscreens zu nutzen, um diesen zum Leuchten zu bringen. Die Stellenbeschreibung wurde in der Zeitschrift Nano Energy veröffentlicht.
Methoden zur Nutzung aller Arten von verschwendeter Umweltenergie wurden in den letzten Jahrzehnten aktiv erforscht. Begleitende mechanische Energie kann in subtilen Prozessen wie leichtem Wind, Meereswellen, durchdrehenden Autoreifen oder Tippen gefunden werden. Selbst grundlegende biologische Funktionen des Körpers – das Zwerchfell vibrieren oder das Herz schlagen – leisten mechanische Arbeit, die in erneuerbaren Energiequellen genutzt werden kann. Von besonderem Interesse sind nichtflüchtige Geräte, die für ihren Betrieb Restenergie in Strom umwandeln können und damit autark ohne herkömmliche Stromversorgungen arbeiten – sie werden für den Betrieb von drahtlosen Sensoren, biomedizinischen Implantaten sowie tragbaren elektronischen Geräten benötigt.
In der Regel basieren solche autonomen Geräte auf Piezoelektrika (in ihnen wird Elektrizität durch Verformung kristalliner Materialien erzeugt) oder Triboelektrika, die durch Reibung Elektrizität erzeugen. Als Nachteile solcher Geräte werden die Verwendung von Schwermetallen wie Blei und Schadstoffen angesehen - so werden beispielsweise in der Triboelektrik die für ihre Toxizität bekannten Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet.
Daher beschlossen die Ingenieure, eine neue Technologie aus selbstaufladendem Kunststoffmaterial zu entwickeln, die es ermöglicht, billige und biokompatible Geräte herzustellen, die der Gesundheit nicht schaden.
Der vollständige Name des neuen Geräts ist ein biokompatibler Ferroelektret-Nanogenerator. Es ist eine dünne Schicht aus mehreren Schichten aus Polyimid, Silber und dem sogenannten Ferroelektret-Polypropylen - eine poröse Struktur, deren Hohlräume orientierte magnetische Dipole aufweisen, die dem Material ferroelektrische Eigenschaften verleihen. Dünne Metallschichten, die den Polypropylenfilm bedecken, dienen als Elektroden, und magnetische Dipole in dem Film induzieren in jeder Elektrode eine Ladung entgegengesetzter Polarität. Bei Verformung, beispielsweise unter Druck, verändern die geladenen Hohlräume in der Propylenschicht die Größe und damit die Momente der Dipole. Die Änderung der Dipolmomente lenkt Elektronen von einer negativ geladenen Elektrode zu einer positiv geladenen Elektrode, wodurch eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden (erzeugte Spannung bei offenem Stromkreis) oder ein Ladungsfluss von einer Elektrode zur anderen (erzeugter Kurzschlussstrom) entsteht).
Das neue Material verdoppelt die Energie, die bei jeder Faltung entsteht: Wenn man die Stoffbahn mehrmals faltet und in die Fersen der Stiefel steckt, reicht die Energie beim Gehen aus, um ein Telefon-Headset mit Strom zu versorgen, sagen die Entwickler.
Die durchgeführten Tests zeigten eine ausreichend hohe Leistung des neuen Nanogenerators: Ein Testmuster aus sieben Schichten von 36 Quadratzentimetern sorgte für den Betrieb von 20 LEDs (je ca. 3,0-3,4 Volt). Auf Basis des Nanogenerators wurde ein selbstaufladendes Flüssigkristall-Display (LCD) realisiert, das durch Berühren des Bildschirms Energie speichert, sowie eine flexible Tastatur, die durch die Kraft des Fingerdrucks des Benutzers Energie für ihre Arbeit erzeugt die tasten: ihre bedienung wird im video unten demonstriert.
Wissenschaftler erwarten, dass der neue Nanogenerator mit seinen attraktiven Eigenschaften wie Flexibilität, Biokompatibilität und geringen Herstellungskosten eine gute Basis für tragbare oder sogar implantierbare elektrische Geräte sein wird.
