Forskere designer kalkstenspartel nanogenerator til at høste energi fra hverdagsbevægelser til at drive små enheder

Forskere ved University of Alabama i Huntsville (UAH) har skabt en ny slags triboelektrisk nanogenerator (TENG), der producerer elektricitet ved brug af kalkstenspartel, hvilket lover betydelige omkostningsbesparelser i forhold til konventionelle fremstillingsmetoder.

Opfundet i 2012 er TENG'er små enheder, der konverterer mekanisk eller termisk energi til elektricitet til brug i små, trådløse autonome enheder som dem i bærbar elektronik, tilstandsovervågning og trådløse sensornetværk. Eksempler omfatter hjertemonitorimplantater, biochip-transpondere til husdyr eller sensorer, der advarer en fører, når dæktrykket er lavt.

TENG'ere høster strøm til disse enheder ved at overføre en elektrisk ladning mellem to genstande, når de kommer i kontakt med eller glider mod hinanden, gennem bevægelser såsom gang, vibrationer, roterende dæk, bevægende vind eller strømmende vand, alt sammen med meget lille indvirkning på miljøet.

Sammenlignet med eksisterende TENG'er, som bruger dyre nanoteknologi-baserede fremstillingsmetoder, er UAH-gennembruddet en ny type TENG, der anvender "klæbrige" materialer som dobbeltklæbende tape eller kalkstenspartel til at generere en ladning, hvilket gør det langt mere omkostningseffektivt og nemmere at bygge.

"Traditionelle TENG'er kræver nanoteknologi-baseret fremstilling og andet specielt udstyr," påpeger Dr. Gang Wang, en lektor i mekanisk og rumfartsteknik ved UAH, en del af University of Alabama System. "Kun færdigheder på håndværksniveau er nødvendige for at bygge vores triboelektriske energihøster."

Gennembruddet er detaljeret beskrevet i et papir offentliggjort i tidsskriftet ACS Omega . Wangs medforfattere ved UAH omfatter Dr. Moonhyung Jang, en postdoc forskningsassistent, Sean P. Rabbitte, en bachelor forskningsassistent, og Dr. Yu Lei, formand og lektor i kemi- og materialeteknik.

Forskningen er en del af Department of Defense (DOD) Small Business Innovation Research (SBIR) program, et initiativ, der understøtter statsfinansierede kontrakter eller tilskud, der tilskynder indenlandske små virksomheder til at engagere sig i føderale forsknings- og udviklingsprojekter med potentiale for kommercialisering.

"Vores industrielle partner er Materials Sciences, LLC, og Dr. Simon Chung er projektleder," siger Wang. "Vi har allerede indgivet patent på det triboelektriske energi-høstningsdesign ved hjælp af klæbende lag."

UAHs nye anvendelse af en kalkstensbaseret monteringspartel sammen med en metalliseret polyesterplade udvider også den operationelle frekvensbåndbredde sammenlignet med eksisterende TENG'er. Dette er betydningsfuldt, fordi nogle små energiindsamlingsapplikationer, såsom sundhedsovervågning og bærbare eksoskeletsystemer, kræver en bredere frekvensbåndbredde for at opsamle energien fra menneskelig bevægelse.

"Typisk kontakt-separation TENG'er fungerer ved en frekvens under 10 Hz," bemærker Wang. "Men vi er i stand til at udvide båndbredden op til 80Hz ved at introducere disse triboelektriske lag i et vibrationsbaseret energihøsterdesign. Efter den vellykkede demonstration af TENG-designet ved hjælp af dobbeltsidet tape, begyndte vi at udforske mindre klæbrige materialer til nemmere adskillelse af materialerne. Sådan kom vi på ideen om at bruge kalkstensbaseret kit."

UAH-forskerne forestiller sig fremtidig undersøgelse af kit-baserede generatorer for at udforske effektiviteten af ​​forskellige mineraler såsom marmor, sandsten og månejord.

Flere oplysninger: Moon-Hyung Jang et al., Power Generation by a Limestone-Contained Putty, ACS Omega (2023). DOI:10.1021/acsomega.2c07688

Journaloplysninger: ACS Omega

Leveret af University of Alabama i Huntsville