Jak jediným došlápnutím chodidla rozsvítit 1 000 LED diod

Jednoho dne bude možné využívat energii z naší chůze nebo z jízdy automobilu, která by jinak přišla nazmar, například k dobíjení telefonu. To je představa, s níž začali vědci z Georgia Institute of Technology vyvíjet zřízení, které by využívalo tzv. triboelektrický efekt. Překvapivě velká množství elektrické energie se jim nyní daří vyrábet třením nebo pouhým dotykem dvou různých materialů. Kromě výroby energie umožní technologie také vznik nových typů senzorů s vlastním zdrojem energie. Ty pomohou detekovat vibrace, pohyb, průsaky vody, výbuchy nebo dokonce déšť.

"Dokážeme vyrobit dostatek energie pro dnešní mobilní a senzorové technologie ze zdrojů, které lze nosit neustále s sebou," říká Zhong Lin Wang, profesor na School of Materials, Science and Engineering. To otevírá cestu pro získávání energie z řady nových zdrojů spojených s lidskými aktivitami.

Jak to funguje

Ve své nejjednodušší formě využívá triboelektrický generator dva různé materiály, z nichž jeden jé “dárcem” elektronů a druhý jejich příjemcem. Když se materiály dostanou do kontaktu, začnou si elektrony vyměňovat. Když se pak obě vrstvy oddělí, jedna si podrží elektrický náboj, ovšem již oddělený mezerou mezi nimi. Tento náboj pak odvedou elektrody umístěné na vnějších okrajích obou povrchů, čímž vznikne malý proud, který pomůže obě napětí opět vyrovnat.

Opakováním tohoto postupu lze vyrobit střídavý proud. Použitými materiály jsou zpravidla levné pružné polymery. Vytvořen byl již i generátor vyrábějící proud stejnosměrný. “Skutečnost, že lze elektrický náboj vytvořit triboelektrickým efektem je dobře známa”, říká Wang. Nový je způsob oddělení obou materálů, a využití náboje, který napomáhá vzniku napětí a následně proudu. Generátor dokáže přeměnit mechanickou energii z v našem okolí na elektřinu.

Vložky do bot a trička vyrábějící elektřinu

Od zahájení pokusů se podařilo Wangovi a jeho týmu zvýšit výkon jejich triboelektrického generátoru 100tisdíckrát – metr čtvereční jednovrstvého materiálu tak má nyní výkon až 300 Wattů. Energetická hustota přepočtená na objem by přitom mohla být až 400 kW na klrychlový metr při účinnosti vice než 50 procent.
Vědci rozšířili záběr technologií z elektricých košil, které měly kapsy z materiálu vyrábějícího elektrickou energii až k vložkám do bot, rohožím, batohům a foliím plovoucím na možské hladině. Vymysleli, jak zvýšit výkon tím, že polymerové fólie doplní mikronovými strukturami. Toto vzorkování tozšíří kontaktní plochu a tím i efektivitu přenosu náboje.

Nyní dokáží vědci vyrobit proud i z kontaku mezi vodou – mořskou, vodou z kohoutku a dokonce i destilovanou vodou a polymerovým povrchem. Poslední věděcký článek Wangova týmu popisuje aplikaci, která energii sbírá z touchpadu laptopu. Dnes používají vědci širokou škálu materiálů jako jsou polymery, látky a papír. Materiály jsou levné a lze je vyrobit třeba ze surovin jako jsou recyklované plastové lahve. Generátory je možné vyrábět i z téměř ideálně průhledných polymerů, což umožní jejich nasazení v toupadech nebo na displayích.

Praktické využití

Kromě využití jako zdroje energie používá Wang triboelektrický efekt take pro napájení senzorů bez vnějšího zdroje energie. Protože generátory vytvářejí proud když jsou v neklidovém stavu, mohou být použity k měření změn v průtoku, náhlém pohybu nebo padajících kapek deště.

Pokud je na tyto generator působeno mechanickou silou, vytvoří elektrický proud a napětí, říká Wang. Tento proud a napětí můžeme změřit jako elektrické signály, abychom určili množství mechanické aktivity. Senzory mohou být použity také pro monitorování dopravy, bezpečnosti, životního prostředí, zdravotní péče a infrastruktury. V budoucnu by rád Wang se svým výzkumným týmem rád pokračoval ve studiu nanogenerátorů a senzorů, a vylepšil jejich výkon a citlivost. Znásobení vrstev materiál může dále zvětšit jeho výkon. “Každý věděl o existernci tohoto efektu, ale my jsme byli schopni pro něj najít praktické využití”, říkiá Wang. “Jeho princip je velmi jednoduchý a přitom je toho spousta, co s ním lze dělat.”

Celý článek na US Science News

The US Department of Energy, National Science Foundation, National Institute for Materials Science in Japan, Samsung, a Chinese Academy of Sciences