Stellen Sie sich vor, Sie schlüpfen in eine Jacke, ein Hemd oder einen Rock, die Ihr Handy, Ihren Fitness-Tracker und andere persönliche elektronische Geräte beim Gehen, Winken und sogar im Sitzen mit Strom versorgen.
Ein neues, ultradünnes Energiegewinnungssystem, das am Nanomaterials and Energy Devices Laboratory der Vanderbilt University entwickelt wurde, hat das Potenzial, genau das zu tun. Basierend auf Batterietechnologie und aus nur wenige Atomlagen dicken Schichten aus schwarzem Phosphor erzeugt das neue Gerät selbst bei den extrem niedrigen Frequenzen, die für menschliche Bewegungen charakteristisch sind, kleine Mengen an Elektrizität, wenn es gebogen oder gedrückt wird.
„Ich gehe davon aus, dass wir in Zukunft alle zu Ladedepots für unsere persönlichen Geräte werden, indem wir Energie direkt aus unseren Bewegungen und der Umgebung ziehen“, sagte Cary Pint , Assistenzprofessor für Maschinenbau, der die Forschung leitete.
Das neue Energy-Harvesting-System wird in einem Artikel mit dem Titel „Ultralow Frequency Electrochemical Mechanical Strain Energy Harvester using 2D Black Phosphorus Nanosheets“ beschrieben, der am 21. Juli online in der Zeitschrift ACS Energy Letters veröffentlicht wurde.
„Angesichts der Zunahme tragbarer Geräte wie Exoskelette und intelligenter Kleidung, die möglicherweise von Dr. Pints Fortschritten in der Material- und Energiegewinnung profitieren könnten, ist dies eine zeitgemäße und spannende Forschung“, bemerkte Karl Zelik, Assistenzprofessor für mechanische und biomedizinische Technik bei Vanderbilt. ein Experte für die Biomechanik der Fortbewegung, der nicht an der Entwicklung des Geräts beteiligt war.
Derzeit gibt es eine enorme Menge an Forschung, die darauf abzielt, effektive Wege zu finden, um Umgebungsenergiequellen zu erschließen. Dazu gehören mechanische Vorrichtungen, die dazu bestimmt sind, Energie aus Vibrationen und Verformungen zu extrahieren; thermische Geräte, die darauf abzielen, Energie aus Temperaturschwankungen zu ziehen; Strahlungsenergiegeräte, die Energie aus Licht, Funkwellen und anderen Strahlungsformen einfangen; und elektrochemische Vorrichtungen, die biochemische Reaktionen erschließen.
„Im Vergleich zu anderen Ansätzen, die darauf ausgelegt sind, Energie aus menschlicher Bewegung zu gewinnen, hat unsere Methode zwei grundlegende Vorteile“, sagte Pint. „Die Materialien sind atomar dünn und klein genug, um in Textilien imprägniert zu werden, ohne das Aussehen oder die Haptik des Stoffes zu beeinträchtigen, und sie können Bewegungen, die langsamer als 10 Hertz sind – 10 Zyklen pro Sekunde – über das gesamte entsprechende Niederfrequenzfenster Energie entziehen auf die menschliche Bewegung.“
Die Doktoranden Nitin Muralidharan und Mengya Li leiteten gemeinsam die Bemühungen, die Geräte herzustellen und zu testen. „Wenn Sie sich Usain Bolt ansehen, sehen Sie den schnellsten Mann der Welt. Wenn ich ihn anschaue, sehe ich eine Maschine, die mit 5 Hertz arbeitet“, sagte Muralidharan.
Es hat sich als äußerst herausfordernd herausgestellt, nutzbare Energie aus solch niederfrequenten Bewegungen zu extrahieren. Beispielsweise entwickeln mehrere Forschungsgruppen Energy Harvester auf Basis von piezoelektrischen Materialien, die mechanische Spannungen in Strom umwandeln. Diese Materialien funktionieren jedoch oft am besten bei Frequenzen von mehr als 100 Hertz. Das bedeutet, dass sie nicht mehr als einen winzigen Bruchteil einer menschlichen Bewegung mitmachen, sodass sie selbst unter optimalen Bedingungen begrenzte Wirkungsgrade von weniger als 5-10 Prozent erreichen.
„Unser Harvester ist so berechnet, dass er in einer idealen Gerätekonfiguration mit einem Wirkungsgrad von über 25 Prozent arbeitet und vor allem während der gesamten Dauer selbst langsamer menschlicher Bewegungen wie Sitzen oder Stehen Energie erntet“, sagte Pint.
Der ultradünne Energy Harvester des Vanderbilt-Labors basiert auf der Forschung der Gruppe zu fortschrittlichen Batteriesystemen. In den letzten 3 Jahren hat das Team die grundlegende Reaktion von Batteriematerialien auf Biegung und Dehnung untersucht. Sie konnten erstmals experimentell nachweisen, dass sich die Betriebsspannung ändert, wenn Batteriematerialien belastet werden. Unter Spannung steigt die Spannung und unter Druck fällt sie ab.
Das Team arbeitete mit Greg Walker , außerordentlicher Professor für Maschinenbau, zusammen, der Computermodelle verwendete, um diese Beobachtungen für Lithiumbatteriematerialien zu validieren. Die Ergebnisse der Studie wurden am 27. Juni in der Zeitschrift ACS Nano in einem Artikel mit dem Titel „ The MechanoChemistry of Lithium Battery Electrodes “ veröffentlicht.
Diese Beobachtungen veranlassten Pints Team, die Batterie mit positiven und negativen Elektroden aus demselben Material zu rekonstruieren. Dies verhindert zwar, dass das Gerät Energie speichert, ermöglicht es ihm jedoch, die durch Biegen und Verdrehen verursachten Spannungsänderungen voll auszunutzen und so als Reaktion auf menschliche Bewegungen erhebliche Mengen an elektrischem Strom zu erzeugen.
Die ersten Studien des Labors wurden 2016 veröffentlicht. Sie wurden weiter inspiriert durch einen parallelen Durchbruch einer Gruppe am Massachusetts Institute of Technology, die ein briefmarkengroßes Gerät aus Silizium und Lithium herstellte, das Energie über den Effekt von Pint und seinem Team gewann untersuchen.
Als Reaktion darauf entschieden sich die Vanderbilt-Forscher, durch die Verwendung von schwarzen Phosphor-Nanoblättern so dünn wie möglich zu werden: Ein Material, das aufgrund seiner attraktiven elektrischen, optischen und elektrochemischen Eigenschaften zum neuesten Liebling der 2D-Materialforschungsgemeinschaft geworden ist.
Da die Grundbausteine des Harvesters etwa 1/5000 der Dicke eines menschlichen Haares sind, können die Ingenieure ihre Geräte so dünn oder so dick machen, wie es für bestimmte Anwendungen erforderlich ist. Sie haben herausgefunden, dass das Biegen ihrer Prototypgeräte bis zu 40 Mikrowatt pro Quadratfuß erzeugt und die Stromerzeugung über die gesamte Dauer von Bewegungen mit einer Geschwindigkeit von nur 0,01 Hertz aufrechterhalten kann, ein Zyklus alle 100 Sekunden.
Die Forscher erkennen an, dass eine der Herausforderungen, denen sie gegenüberstehen, die relativ niedrige Spannung ist, die ihr Gerät erzeugt. Sie liegt im Millivoltbereich. Sie wenden jedoch ihre grundlegenden Erkenntnisse des Prozesses an, um die Spannung zu erhöhen. Sie untersuchen auch das Design elektrischer Komponenten wie LCD-Displays, die mit niedrigeren als normalen Spannungen arbeiten.
„Einer der Peer-Reviewer für unser Papier hat die Frage der Sicherheit aufgeworfen“, sagte Pint. „Das ist hier kein Problem. Batterien fangen normalerweise Feuer, wenn die positiven und negativen Elektroden kurzgeschlossen werden, wodurch sich der Elektrolyt entzündet. Da unser Harvester zwei identische Elektroden hat, wird ein Kurzschließen nichts anderes tun, als das Gerät daran zu hindern, Energie zu gewinnen. Es ist wahr, dass unser Prototyp Feuer fängt, wenn Sie ihn unter eine Lötlampe halten, aber wir können selbst diese Bedenken ausräumen, indem wir einen Festkörperelektrolyten verwenden.“
Eine der eher futuristischen Anwendungen dieser Technologie könnte elektrifizierte Kleidung sein. Es könnte mit Flüssigkristalldisplays imprägnierte Kleidung antreiben, die es dem Träger ermöglicht, Farben und Muster mit einem Wisch auf seinem Smartphone zu ändern. „Wir messen die Leistung bereits im Bereich des Strombedarfs für ein mittelgroßes Low-Power-LCD-Display, wenn wir die Leistung auf die Dicke und die Bereiche der Kleidung, die wir tragen, skalieren.“ Pint sagte.
Pint glaubt auch, dass es potenzielle Anwendungen für sein Gerät gibt, die über Energiesysteme hinausgehen. „Wenn unser Gerät in Kleidung integriert wird, kann es menschliche Bewegungen mit hoher Empfindlichkeit in ein elektrisches Signal umwandeln, das eine historische Aufzeichnung unserer Bewegungen liefern könnte. Oder Kleidung, die unsere Bewegungen in drei Dimensionen verfolgt, könnte in Virtual-Reality-Technologie integriert werden. Es gibt viele Richtungen, in die dies gehen könnte.“
Die Vanderbilt-Doktorandinnen Rachel Carter , derzeit Postdoktorandin am Naval Research Laboratory, und Nicholas Galioto, ein Maschinenbaustudent im Grundstudium, trugen ebenfalls zu der Forschung bei, die durch das National Science Foundation Grant CMMI 1400424 und das Discovery Grant Program der Vanderbilt University unterstützt wurde.