Conform TechSpot, o echipă de cercetători europeni, incluzând oameni de știință de la DESY și Universitatea de Tehnologie din Hamburg, a dezvăluit un triboelectric nanogenerator nou demonstrat, care produce electricitate prin împingerea apei în și afară din silicon nanoporos. Munca lor marchează un pas semnificativ către alimentarea fără baterii a senzorilor și altor dispozitive cu consum redus de energie.
Cercetătorii și-au propus să exploreze dacă ingrediente simple – siliconul și apa – ar putea fi aranjate astfel încât presiunea mecanică și mișcarea fluidului să servească drept sursă de energie electrică fiabilă, în loc să fie energie irosită. Răspunsul lor este un generator triboelectric construit în jurul unui silicon nanostructurat care folosește fluxul de apă prin pori măsurați în nanometri pentru a produce sarcină electrică.
La baza dispozitivului se află o structură de silicon proiectată să fie trei lucruri simultan: conductoare electric, umplută cu pori la scară nanometrică și hidrofobă. A face siliconul conductiv este o rutină în microelectronică, însă combinarea acestei proprietăți cu o arhitectură controlată nanoporoasă și suprafețe care resping apa în aceeași bucată de material reprezintă un avans cheie.
Această combinație permite echipei să modeleze cum intră, se mișcă și iese apa prin rețeaua de pori, ceea ce stabilizează efectul triboelectric și îl face scalabil, mai degrabă decât o curiozitate fragilă de laborator.
Mecanismul de conversie a energiei este triboelectrificarea – aceeași familie de efecte care face ca o persoană să acumuleze o sarcină electrică mergând pe un covor și apoi să o descarce cu o scânteie mică la contactul cu un alt obiect.
Aici, însă, faza în mișcare este un lichid, mai degrabă decât o talpă de pantof solidă. Pe măsură ce apa este forțată să intre și să iasă din porii minusculi sub presiune, aceasta se freacă de suprafețele solide de silicon, transferând sarcina la interfața lichid – solid. Arhitectura dispozitivului este proiectată să capteze această sarcină interfacială și să o convertească în ieșire electrică utilizabilă, în loc să o lase să se disipeze.
Una dintre afirmațiile remarcabile ale echipei de cercetare este o eficiență de conversie de aproximativ 9% pentru această clasă de generatoare triboelectrice – cea mai mare raportată până acum pentru sisteme similare. În termeni practici, asta înseamnă că o fracțiune relativ mare din energia mecanică folosită pentru a împinge apa în și afară din pori apare ca energie electrică la bornele dispozitivului.
Pentru sistemele triboelectrice, care adesea se confruntă cu eficiență scăzută sau inconsistentă, atingerea acestei borne este semnificativă deoarece aduce conceptul mai aproape de bugetele de energie din lumea reală pentru senzori și dispozitive electronice cu consum redus.
Cercetătorii poziționează tehnologia ca o cale către sisteme de senzori autonome, fără întreținere, care își extrag energia direct din mediul înconjurător. Ei indică aplicații precum detectarea apei, monitorizarea sportivă și a sănătății în textile inteligente, și robotica haptică, unde atingerea sau mișcarea generează semnalul electric necesar pentru detectare.
În aceste scenarii, generatorul poate fi integrat în suprafețe sau structuri deja supuse mișcării sau presiunii, eliminând potențial nevoia de baterii sau alimentare cu fir și reducând costurile de întreținere.
Echipa a indicat sistemele de suspensie ale vehiculelor ca exemplu. În interiorul unei cavități a unei roți, șocurile și vibrațiile generează deja mișcare mecanică și schimbări de presiune. Încorporarea unui modul triboelectric de silicon-apă în acel mediu ar permite compresia și relaxarea ciclică să împingă apa prin rețeaua nanoporoasă, transformând zgomotul mecanic altfel risipit în energie pentru senzorii locali care monitorizează performanța, uzura sau condițiile de siguranță.
Un aspect notabil al lucrării este dependența de materiale abundente și bine înțelese, mai degrabă decât de compuși exoți. Dispozitivul folosește siliconul, cel mai utilizat semiconductor în industria electronică, și apa, cel mai comun lichid de pe Pământ. Aceste alegeri nu sunt doar filosofice, ele contează pentru fabricare și costuri.
Proiectul condus de Hamburg se încadrează într-un val mai larg de cercetare privind colectarea unor cantități mici de energie din mișcarea de rutină și fluxurile de mediu. În Franța, de exemplu, studenții au construit turnicheți de metrou care generează suficientă energie din traficul de pasageri pentru a alimenta ecranele de afișare ale stațiilor.
Într-un alt efort, o echipă internațională a demonstrat metode de a exploata energia produsă atunci când vântul lent trece peste picături de apă, transformând dinamica fluidelor subtile într-o sursă de energie. Aceste dezvoltări paralele indică o direcție comună: tratarea mișcării mecanice și a fluidelor cotidiene ca resursă de energie, mai degrabă decât zgomot de fond.
