Люди-батарейки: теоретический анализ наногенераторов на базе трибоэлектрического эффекта
Одной из самых злободневных проблем современности является энергия, а точнее ее нехватка. Природные ресурсы земли истощаются по мере роста числа населения. Посему люди обратились к восстанавливаемым источникам энергии, использование которых сможет разрешить неминуемый энергетический кризис. Геотермальная, солнечная, гидроэнергия — все это источники восстанавливаемой, практически безграничной (в масштабах жизни человека) энергии. Но есть еще один источник, который называют актуальным скорее писатели-фантасты, нежели ученые. Это сам человек. Но подключать кучу проводов к телу человека и засовывать его в капсулы с «желе» никто не собирается. Теория, о которой сегодня и пойдет речь, основана на эксплуатации трибоэлектрического эффекта, что позволит человеку стать источником энергии для носимых устройств (часы, телефоны и прочее). Давайте же попробуем разобраться в чем суть данного исследования. Поехали.
Теоретическая основа
Как уже было сказано, буквально несколько строк назад, в основе этого теоретического исследования лежит трибоэлектрический эффект*.
Трибоэлектрический эффект* это, простыми словами говоря, возникновение электрических зарядов за счет трения.
О существовании данного физического явления знали еще во времена древней Греции. Фалес Милетский является автором наблюдения трибоэлектричества посредством натирания янтаря шерстью, за счет чего первый получал способность притягивать мелкие объекты (волосы, бумагу и т.д.). Впоследствии именно греческий вариант слова «янтарь» (ἤλεκτρον — ēlektron) и послужил основой для слова «электричество». Однако в те времена мало что знали об электричестве, его видах и свойствах. Многие столетия прошли пока не начался процесс систематического изучения сего явления.
Почтовая марка (1994 год, Греция) с изображением Фалеса Милетского и янтаря, притягивающего перо за счет трибоэлектрического эффекта.
Как проявляется на практике трибоэлектрический эффект? Все предельно просто. Если тереть два предмета друг о друга, то мы получим статическое электричество за счет этого самого эффекта. Все, что нас окружает, состоит из атомов, в центре которых расположено положительно заряженное ядро, окруженное электронами. За счет межатомного взаимодействия, если у одного предмета притяжение атомов мощнее, то электроны второго начинают сдвигаться в сторону первого. Таким образом один предмет приобретает электроны, а другой теряет их, что и является возникновением статических зарядов.
На данном видео довольно доходчиво поясняется принцип трибоэлектрического эффекта, а также показан опыт, который вы можете повторить в домашних условиях.
Естественно не все материалы одинаковы. Одни лучше накапливают положительный заряд, другие — отрицательный. Поэтому материалы, склонные к проявлению трибоэлектрического эффекта располагают в, так называемый, трибоэлектрический ряд (от положительного до отрицательного).
Но трибоэлектрический эффект это лишь часть исследования. Помимо него важную роль играют наногенераторы — устройства, способные преобразовывать механическую или термальную энергию в электричество. Наногенератор на основе трибоэлектрического эффекта (TENG) не такой древний, как опыт с янтарем Фалеса, и был впервые продемонстрирован в 2012 году.
Сбор энергии с помощью сего чудо-устройства является очень перспективной отраслью, посему многие исследовательские группы занимаются разработками новых способов реализации этой методики. Только представьте себе: вы гуляете по городу, а ваш телефон заряжается за счет вашего движения. Звучит очень круто, но есть ряд проблем, с которыми пока еще не разобрались, посему мы и не видим на прилавках магазинов электроники разнообразных наногенераторов на любой вкус.
Основа исследования
Главной задачей исследования стало обозначение свойств и характеристик наногенераторов на базе трибоэлектрического эффекта, а также теоретическое обоснование проблем реализации подобной технологии.
Схема TENG.
Исследователи указывают на то, что в TENG присутствует минимум одна непроводящая трибоэлектрическая поверхность, из-за чего его внутренний импеданс (полное сопротивление) довольно высок. А при движении трибоэлектрических слоев он может еще больше возрасти. Как следствие, эффективно извлекать необходимую мощность из TENG через внешнюю нагрузку можно только в случае высокого нагрузочного сопротивления.
Подавляющее большинство устройств не соответствуют таким требованиям, из-за чего внушительная доля потенциально полезной мощности будет утеряна, ввиду несоответствия импеданса.
Ученые утверждают, что понимание характеристик преобразования энергии и передачи мощности на базе изменений импеданса является основой для совершенствования TENG-устройств.
Архитектура экспериментальной установки
Существует несколько механизмов работы наногенераторов. В данном исследовании использовалась вертикальная контактно-сепарационная модель.
Схема трибоэлектрических слоев.
На схеме выше мы видим 2 TENG-слоя с положительным и отрицательным зарядами. Каждый слой состоит из нескольких компонентов: основа из In2O3/Ag/Au (синий подслой), ПЭТ — полиэтилентерефталат (оранжевый подслой) и PDMS (ПДМС) — полидиметилсилоксан (зеленый подслой). Размер слоев составил 50×50 мм, а толщина 0.22 мм первого и 0.2 мм второго слоя.
Трибоэлектрическая плотность заряда составила 40.7 мкКл/м-2 (мкКл — микрокулон). А диэлектрическая проницаемость равнялась: 3.24ε0 для первого слоя и 3.3ε0 для второго, где ε0 это диэлектрическая проницаемость пустого пространства.
Внешний вид экспериментальной установки.
Установка, представленная на снимке выше, состоит из линейного двигателя, подвижной базы, изоляторов, двух TENG-слоев, датчика нагрузки и электрических соединений.
Данная установка располагалась в помещении с температурой 20˚C и относительной влажностью 55% (чем ниже влажность, тем лучше происходит передача зарядов, что говорилось в видео). Мотор позволял слоям соприкасаться с определенной периодичностью. Чем больше таких соприкосновений (трений), тем выше показатель плотности заряда. Всего было произведено 3000 соприкосновений слоев в данном эксперименте.
Анализ результатов
После проведения экспериментов ученые собрали все данные и, проанализировав их, категоризировали ряд факторов, влияющих на работу TENG-устройств:
- Движение: частота, амплитуда и контактный/бесконтактный режимы движения;
- Устройство: свойства материалов и размеры TENG-устройства.
А теперь чуть подробнее о каждом.
Частота
График выше (а) это сравнение пиковых показателей мощности теоретической модели DDEF (зависимое от расстояния электрическое поле) и теории TENG-слоев при разной частоте (от 0.1 Гц до 1000 Гц). В свою очередь график (b) показывает сравнение данных модели DDEF, теории TENG-слоев плюс экспериментальных данных, полученных опытным путем при частоте от 0.1 Гц до 10 Гц.
Отчетливо видно, что с увеличением частоты, возрастает и выходная мощность. Однако реальная частота на практике ограничена физиологией человека (другими словами, двигаться как тасманский дьявол из Looney Tunes мы не можем). Однако исследователи не огорчаются, так как существует способ преобразования низких частот в более высокие. К примеру, механический регулятор, состоящий из спиральной пружины, зубчатой передачи, кулачкового механизма и маховика. Такое простое, учитывая перечисленные детали, устройство способно выдать частоту 50 Гц. (Исследователи ссылаются на труд Divij Bhatia, доступный для скачивания по ссылке).
Получается, что способы, простые и эффективные, для увеличения частоты, а следовательно и выходной мощности, есть. Однако стоит отметить, что частота также не может быть больше определенного уровня (10 ГГц), что связано с диэлектрическими потерями, возникающими при больших частотах.
Амплитуда
Дабы проверить как амплитуда движений влияет на показатели выходной мощности уровень частоты был установлен 1 Гц, как константа, дабы данный параметр не влиял на измерение влияния исключительно амплитуды.
Выше представлены два графика: теоретические результаты и экспериментальные. Тенденция в начале схожа с увеличением частоты, то есть выходная мощность растет с увеличением амплитуды. Однако при достижении определенного уровня (1 мм) она начинает снижаться. Таким образом, амплитуда движения является очень нестабильным фактором. Точнее сказать, это параметр с узким диапазоном, ибо при слишком низкой или слишком высокой амплитуде мы не получим желаемого результата. Ученые намерены в дальнейшем подробнее изучить влияние амплитуды на выработку выходной мощности, а также найти способы оптимизировать этот фактор.
Контактный/бесконтактный режимы движения
Трибоэлектрические слои должны соприкасаться во время циклов движения, верно? Почти. Некоторые устройства работают в бесконтактном режиме, когда они полностью заряжены. Таким образом необходимо проверить как расстояние между слоями влияет на результат работы TENG-устройства. Во время теста частота была 1 Гц, а амплитуда — 1 мм, опять же константы, чтобы не помешать проверке необходимого параметра.
И опять мы наблюдаем два графика (теория и эксперимент). Вполне логично, что увеличением разрыва между слоями выходная мощность начинает падать. Показатели упали от ≈430 до ≈150 нА (наноампер), когда разрыв достиг 500 мкм. При этом сопротивление выросло от 1 ГОм (гигаом) при разрыве в 0 до 5 ГОм при разрыве в 500 мкм.
И опять суровая реальность не дает ученым строить облачные замки. Вывод прост — расстояние между рабочими TENG-слоями является критически важным параметром. Точнее сказать, отсутствие воздушных прослоек между ними. Понятно, что в процессе сепарации слои «расходятся», так сказать, но между ними не должно быть воздуха. Эту проблему можно решить, к примеру, использовав в архитектуре TENG полимеры, такие как полидиметилсилоксан.
В заключение можно отметить, что амплитуда и частота должны быть не выше предельного уровня, как и расстояние между слоями, для того чтобы система работала эффективно. Это довольно сильные ограничения, на самом деле. Однако многие исследовательские группы, в том числе и эта, работают над тем, чтобы снизить влияние этих параметров на работоспособность TENG-устройств.
А теперь перейдем к рассмотрению того, какими должны быть сами устройства, чтобы полностью воспользоваться всеми преимуществами TENG-технологии. Ибо важную роль в работе любого устройства играют не только физические явления, но и то, из чего и как сделано устройство. Как говорится, как бы сильно вы не метнули копье из папье-маше, оно не улетит дальше нормального копья.
Свойства материалов
Напомним себе, что трибоэлектрическая плотность заряда напрямую зависит от нескольких факторов: трибоэлектрического ряда (чем дальше друг от друга вещества, тем лучше они взаимодействуют, в ролике выше это упоминается), структурирования трибоэлектрических поверхностей, площади контакта под воздействием прилагаемой силы и от факторов окружающей среды.
Для проверки того что и как на что влияет была использована DDEF модель при синусоидальном движении (частота = 1 Гц, амплитуда = 1 мм), при этом параметры устройства совпадают с теми, что в практическом эксперименте.
Анализ данных показывает, что показатель выходной мощности возрастает при увеличении плотности заряда. При этом внутренний импеданс не меняется при изменении плотности заряда.
А вот изменения параметров в окружающей среде, таких как влажность, температура и давление, естественно, влияют на плотность заряда, делая этот показатель нестабильным. Если же устройство работает в контролируемой среде, то удается сохранить стабильность этого показателя. Конечно, это весьма печально, так как на практике мы не будем пользоваться своими устройствами только в определенных условиях. Посему этот момент также отправлен учеными на дальнейшую доработку и исследование.
Также ученые отмечают, что данный теоретический эксперимент хоть и показывает яркие взаимосвязи, но на практике крайне сложен в реализации, поскольку изменение какого-то параметра материала в реальности означает замену самого материала, а это значит и изменение всех других свойств.
Физические размеры
Когда речь идет про носимые устройства, мы понимаем, что их составные детали должны быть максимально малы (простите за каламбур). Но есть определенный предел, черта, переступив которую мы жертвуем эффективностью в угоду малым размерам.
Два графика выше представляют результаты измерения выходной мощности при изменении толщины слоя ПДМС (теория слева и эксперимент справа). При увеличении толщины ПДМС показатель выходной мощности снижается. Эта теоретическая тенденция была подтверждена на практике, что видно, если сравнить оба графика.
Электрическое поле с заряженной поверхностью TENG-слоя должно распространиться на большее расстояние, когда толщина ПДМС больше, чтобы достичь интерфейса электрод-диэлектрик, где и происходит индукция выходных зарядов. Это приводит к ослаблению электрического поля, что впоследствии приводит к снижению выходной мощности и росту импеданса. Так что принцип «чем больше, тем лучше» тут не применить.
При изменении длины дела обстоят иначе. Выходная мощность растет при удлинении устройства, если сравнить на графике выше показатели при длине 50 мм и 1000 мм. Это хорошо, ибо больше площадь — больше мощности. Однако для компактных устройств, на зарядку которых в основе своей и нацелены TENG-устройства, вряд ли можно было назвать таковыми, если бы они были метр в длину.
Подробности исследования (теоретические модели, формулы, расчеты и т.д.) вы найдете в докладе ученых и в дополнительных материках к нему.
Эпилог
Данное исследование было нацелено на описание характеристик, важных факторов влияния и особенностей трибоэлектрических наногенераторов. Сами исследователи говорят, что их труд должен помочь в будущих разработках TENG-устройств, поскольку четко указывает на преимущества и недостатки этой технологии. И как мы видим, еще предстоит проделать немало работы, чтобы мы наконец перестали беспокоиться о том, что наши носимые устройства разрядятся во время прогулки.
Энергия всегда была ценностью для человечества, вне зависимости от ее типа. Но если раньше мы просто подчистую собирали, что дает нам планета, то сейчас необходимо искать способы вырабатывать энергию, которой хватит на всех. Жаль только, что стимулом к началу таких поисков стал факт того, что мы просто практически исчерпали природные ресурсы. Как сказал кто-то (уж не помню кто): Почему не разделить все между всеми? А потому что всего мало, а всех много. Будем надеяться, что в вопросах энергетики это изменится, рано или поздно.
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
VPS (KVM) E5–2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до декабря бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.
Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5–2650v4 128GB DDR4 6×480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
