Budeme si nosit sebou vlastní kapesní elektrárny?
Tradiční ukázky výroby elektrického náboje pomocí ebonitové tyčky masírované liščím ohonem jsou samozřejmě notoricky známé, ale až nyní se podařilo tento jev využít pro smysluplné získávání elektrické energie. Zařízení, která to umí, se nazývají tribogenerátory, a možná už v blízké budoucnosti o nich brzy uslyšíme. Naznačují to aspoň experimenty, provedené vědci, o nichž nedávno informoval server Physorg.
S jedním pohybem nohy, došlápnutím, rozsvítí Zhong Lin Wang, profesor na pekingském Institute of Nanoenergy and Nanosystems a americké Georgia Tech, desítky LED diod - bez baterie nebo napájecího kabelu. Využívá přitom již dlouho známý princip: tzv. triboelektrický efekt, který, jak se ukazuje, může vytvořit třením nebo dotykem dvou různých materiálů dohromady překvapivé množství elektrické energie.
Elektřina všude kolem nás
Pozornost výzkumníků se v poslední době upírala zejména na možnost využití piezoelektrického principu, kdy deformace určitých materiálů produkuje elektrický proud, v rámci projektů zaměřených na tzv. energy harvesting. Hlavně v souvislosti s napájením různých miniaturních spotřebičů či senzorů a podobných elektronických zařízení v odlehlých místech. Značná pozornost se na tento způsob získávání energie soustřeďuje i v souvislosti s nástupem tzv. nositelné elektroniky, kterou by mohly místo tradičních baterií, které mají omezenou dobu použití, vyrábět právě piezo- či tribogenerátory, ideální pro zařízení s relativně nízkým odběrem energie.
Profesor Zhong Lin Wang přišel s nápadem, jak prakticky získávat elektřinu vniklou třením v podobě elektrostatického náboje. V nejjednodušší podobě lze energii vyrábět „šoupáním“ dvou vhodných materiálů o sebe, nebo chůzí po odpružených ploškách apod. Wang, jeho kolega Guang Zhu a členové jejich výzkumného týmu už předvedli zařízení, která dokážou získávat energii z pohybu vzduchu či proudících kapalin, nebo "náhodnými trhavými pohyby", včetně lidského pohybu. "Jak dlouho je mechanické působení, tak dlouho působí síla, která může generovat elektřinu," říká Wang.
Triboelektrický generátor
Vědci z Georgia Institute of Technology postavili jednoduchý prototyp zařízení, které převádí pohyb v systému stop-start na elektrickou energii. Ve své nejjednodušší formě používá triboelektrický generátor dva plátky z rozdílných materiálů, jeden funguje jako dárce elektronů, druhý jako jejich příjemce. Když jsou materiály v kontaktu, elektrony proudí z jednoho na druhý. V případě, že listy jsou pak odděleny, jeden si uchovává elektrický náboj izolovaný mezerou mezi nimi. Je-li pak ke dvěma elektrodám umístěným na vnějších okrajích obou povrchů připojeno elektrické zatížení, bude protékat malý proud, aby se vyrovnaly náboje.
Tím, jak je proces neustále opakován, může být vyráběn střídavý proud. V různých variantách této techniky mohou materiály - nejčastěji nenákladné flexibilní polymery -vyrábět proud v případě, že jsou spolu předtím, než se oddělí. Byly postaveny rovněž generátory produkující stejnosměrný proud.
Potenciál pro výrobu elektrické energie z triboelectrického účinku objevili Wang a jeho tým náhodně při práci na piezoelektrických generátorech, které používají jinou technologii. Výstup z jednoho piezoelektrického zařízení byl mnohem větší, než se očekávalo, a jako příčina vyššího výkonu byla odhalena nesprávná montáž, která dovolila dvěma polymerním povrchů třít se o sebe. Následný půlroční výzkum vedl k první zprávě o triboelektrickém generátoru v roce 2012.
"To, že elektrický náboj může být vytvářen pomocí triboelekrifikace je dobře známý. Tento efekt mohl vidět každý, ale my jsme dokázali pro něj nalézt praktické využití. To, co jsme zavedli nově, je separační technika, mezera, která vytváří úbytek napětí, což vede k toku proudu při vnějším zatížení, a umožňuje nabíjení. Tribogenerátor tak umožňuje převést náhodnou mechanickou energii z prostředí na elektrickou,“ konstatuje profesor Wang.
"Jsou-li dva materiály ve fyzickém kontaktu, dojde k triboelektrifikaci. Když jsou přesunuty od sebe, vytvoří se mezera a elektrony musí proudit pro vyrovnání místního náboje. Z tohoto procesu jsme získali překvapivě vysoké napětí a proud. Objevili jsme čtyři základní režimy triboelektrických generátorů. Mohou vyrábět proud např. z kontaktu mezi vodou (mořskou, vodou z vodovodu, a dokonce i destilovanou vodou) a speciálně vzorovaným polymerním povrchem," řekl Wang.
V budoucnu chtějí výzkumníci pokračovat ve studiu generátorů a senzorů s cílem zlepšit jejich výkon a citlivost - velikost materiálu může být škálována, a několik vrstev může významně zvýšit výkon.
Od prvního zveřejnění výsledků svých výzkumů zvýšil profesor Wang a jeho tým hustotu výkonu triboelektrického generátoru faktorem 100 000 - takže m2 jednovrstvého materiálu může nyní produkovat přes 300 W. Vědci zjistili, že objem hustoty energie může dosahovat přes 400 kW na kubický metr a více než 50% účinnost.
Od elektrické košile k plovoucím výrobnám energie
Od prvního objevu se škála aplikací výrazně rozšířila - poslední zpráva vědeckého týmu, publikovaná v časopise ACS Nano v závěru loňského roku popisuje získávání energie z dotykové podložky přenosného počítače. Vědci rozšířili škálu technik shromažďování energeticky z "elektrické košile", obsahující kapsy z materiálu generujícího energii i na vložky do bot, píšťalky, pedály, rohože, batohy a bóje pohupující se na vlnách - v nich také vidí největší potenciál do budoucna. Naučili se zvyšovat výkon použitím vzorků v mikronovém měřítku na polymerní materiály - vzorování účinně zvyšuje kontaktní plochu a tím se účinnost přenosu náboje zvyšuje.
Mohou vyrábět energii pomocí široké škály materiálů - včetně polymerů, vláken a dokonce i papíru. Materiály jsou levné, a mohou zahrnovat i takové zdroje, jako jsou recyklované nápojové lahve. Generátory mohou být vyrobeny z téměř průhledných polymerů, což umožňuje použít jako zdroj energie např. dotekové podložky a obrazovky. Wang také používá triboelektrický efekt pro snímače bez vnějšího zdroje napájení.
Kapesní elektrárna
V nové studii publikované v časopise Nature Communications uvádí Wangův tým, že se podařilo překonat hlavní překážky pro převod náhodně generovaného elektrického náboje do podoby elektrického proudu. Zařízení je levné a konstrukčně nenáročné - prototyp malého přenosného generátoru se skládá z plastového disku o průměru asi 10 cm, s tenkou vrstvou zlatých elektrod, (které slouží ke sbírání proudu), a diskového rotátoru z mědi, který se tře o plastový disk. Při maximální rychlosti 3000 ot.min-1 generovalo zařízení 1,5 W, což představuje energetickou účinnost 24 %, tj. třikrát větší než piezoelektrické systémy, dosavadní nejlepší zdroj energie sklízené z mechanických zařízení tohoto typu a stejně efektivní jako magnetické indukce turbín.
Prototyp v laboratorních testech používá měď pro rotátor a zlato pro elektrody, ale ty by mohly být snadno nahrazeny levnými syntetickými materiály.
629
