Świt nanoenergii

-- środa, 08 lipiec 2009

Zhong Lin Wang z Georgia Tech stworzył “pompy zasilające”, które wykorzystują efekt piezoelektryczny do wytwarzania niewielkich ilości prądu przemiennego w reakcji na obciążenia

Nie tak dawno temu byłoby to nie do pomyślenia: uzyskiwanie użytecznej energii elektrycznej z ruchów ciała chomika, drgań strun głosowych, stukania palcami i łopotania flag na wietrze.

Mówimy tutaj o maleńkich źródłach energii. Nie o obracaniu koła przez biegającego w środku chomika, ale o ruchach samego chomika, ruchach jego nóżek, skręcaniu się i wyginaniu jego malutkiego ciałka. A stukanie palcami? Nie energiczne uderzanie, ale delikatne stukanie małym palcem o twardą powierzchnię. Tylko tyle trzeba, żeby wytwarzać energię.

Co więcej, w świecie nieprawdopodobnych źródeł energii, przykłady te nie są odosobnione. Na Purdue University zamontowano płytki podłogowe, które wytwarzają prąd, gdy ktoś po nich chodzi. Na MIT (Massachusetts Institute of Technology) mają amortyzator samochodowy, który wykorzystuje energię powstającą podczas jazdy po nierównej nawierzchni.

Słysząc to, każdy szanujący się inżynier mógłby zapytać: “Jasne, ale ile energii? I do czego niby można by ją wykorzystać?”

Tu dochodzimy do sedna sprawy. Może się to wydawać nieprawdopodobne, ale naukowcy twierdzą, że ten nowy typ źródeł energii może wytworzyć dość prądu, by można było go wykorzystać do zastosowań niskonapięciowych, na przykład do zasilania urządzeń takich jak PDA i mikrosterowników. Wspomniane wyżej stuknięcie palcem w wyświetlacz PDA mogłoby spowodować ugięcie elementu piezoelektrycznego wystarczające do wytworzenia niewielkiego ładunku, doładowującego baterię. Gradient temperatury między ciałem ludzkim i otaczającym je powietrzem mógłby pomóc ładować wszczepiony rozrusznik serca albo termometr, albo urządzenie monitorujące ciśnienie krwi.

Wielu ludzi dzwoni do nas i oznajmia: Odkryłem takie źródło energii…- twierdzi Kevin Parmenter, inżynier ds. aplikacji pracujący na wydziale ds. mocy sygnału analogowego i mieszanego w Freescale Semiconductor. Mówią: To fajne, ale daje tylko takie a takie napięcie i muszę wiedzieć, do czego da się wykorzystać połowę volta.

Zwiększając moc baterii

Okazuje się, że są rzeczy, które można zrobić dysponując połową wolta. Na Georgia Institute of Technology pewien naukowiec zademonstrował swój pomysł, wykorzystując chomiki – nie dlatego, że sądzi, iż gryzonie wyprą spalające węgiel generatory, ale dlatego, że chce pokazać, iż nawet najmniejsze ruchy mechaniczne mogą wytwarzać prąd elektryczny. Co więcej, udowadnia on, że używając wystarczającej ilości maleńkich generatorów (nanogeneratorów, jak je nazywa), inżynierowie mogą wyeliminować konieczność używania baterii w niektórych niskonapięciowych urządzeniach.

Zhong Lin Wang, profesor na tej uczelni przekonuje, że arkusz zawierający dziesiątki tysięcy nanogeneratorów mógłby zmieścić się pod ekranem dotykowym Blackberry sprawiając, że urządzenie to mogłoby wytwarzać energię ze stukania palcami. Arkusze te można byłoby też wykorzystywać do zasilania czujników mierzących poziom cukru we krwi lub do wspomagania baterii we wszczepianych urządzeniach medycznych, takich jak defibrylatory.

Jedynym powodem, dla którego to zrobiliśmy, jest fakt, że baterie się wyczerpują - twierdzi Wang. Jeśli masz mały generator, możesz go zintegrować z baterią i wtedy nie trzeba już tak często wymieniać baterii.

Rzeczywiście, zdaniem Wanga, niektóre urządzenia mogłyby być zasilane wyłącznie za pomocą nanogeneratorów, mimo że potrzebne mogłyby okazać się tysiące lub nawet miliony nanourządzeń do zasilania niewielkiego urządzenia elektronicznego, takiego jak telefon komórkowy.

Trzeba zaznaczyć, że nanogeneratory Wanga faktycznie są maleńkie. Mają one postać niezwykle małych drucików i zostały wykonane z tlenku cynku i ich średnica wynosi od 100 do 800 nm, a długość: 100 do 500 μm. Innymi słowy, ich średnica to mniej więcej 1/50 średnicy ludzkiego włosa; długość około 10 średnic włosa. Oprócz tego, ilość energii elektrycznej, jaką wytwarzają, jest tak samo mała. Niedawno, gdy Wang i jego współpracownicy na Georgia Tech ubrali chomika w koszulkę zawierającą cztery nanogeneratory, wytworzyła ona 0,5 nA prądu.

Nanogeneratory wytwarzają energię dzięki efektowi piezoelektrycznemu – dobrze znanemu zjawisku polegającemu na tym, że dany materiał wytwarza niewielką ilość energii elektrycznej w reakcji na obciążenie mechaniczne. Nanogeneratory Wanga różnią się jednak od innych urządzeń piezoelektrycznych – są w stanie wytwarzać prąd z praktycznie dowolnych ruchów mechanicznych.

Większość materiałów piezoelektrycznych wykorzystuje częstotliwość rezonansu do wytwarzania prądu - stwierdza Wang. Nasz jest o wiele mniejszy i nie potrzebujemy takiej częstotliwości.

Faktycznie, piezoelektryczny materiał Wanga może wytwarzać prąd przy częstotliwościach od kilku herców do setek kiloherców. To istotna różnica w stosunku do konwencjonalnych elementów piezoelektrycznych, które są podparte niczym trampolina, wymagają silnego odkształcenia i powstania częstotliwości rezonansu do wytwarzania energii elektrycznej.

Aby wyprodukować więcej energii, zespół badawczy Wanga może wytwarzać nanogeneratory w formie arkuszy. Zawierają one pojedyncze druciki z tlenku cynku, otoczone elastycznym substratem polimerowym. Na końcach drucików umieszczone są styki i bariera Schottky- ’ego do kontroli przepływu prądu. “Arkusz” zawierający około 10 000 nanogeneratorów ma około 4 cm długości, dodaje Wang.

Wang twierdzi także, że zdolność do wytwarzania energii z praktycznie wszystkich częstotliwości mechanicznych umożliwia tej technologii obsługę różnorodnych zastosowań medycznych. Specjaliści od spraw obrony widzą w niej źródło zasilania maleńkich wykrywaczy gazu dla żołnierzy.

Wszystko, czego nam potrzeba, to odkształcenie – wyginanie w tył i w przód – dowolny typ zaburzeń mechanicznych - nadmienia. To kluczowa różnica i naprawdę rozszerza ona zakres zastosowań dla tej technologii.

Gotowi na szczytowe obciążenie?

Badania mające na celu wykorzystywanie rozmaitych źródeł energii sprawiają, że ma się dziś wrażenie, iż energia jest wszędzie. Na Purdue University grupa studentów skonstruowała niedawno podłogę z płytek, która wytwarza energię, gdy się po niej chodzi. W ramach specjalistycznego projektu, studenci skonstruowali niewielki fragment podłogi z płytek o wymiarach 25,4 x 25,4 cm, umieścili cztery elementy piezoelektryczne (oscylatory Thunder firmy Face International) pod każdą płytką, przyśrubowali podłogę do podbudowy i zamontowali sprężyny, by podłoga mogła się uginać. Wynik: gdy przyłoży się siłę, sprężyna jest ściskana, a piezoelementy uaktywniają się, wytwarzając prąd.

Studenci sugerują zastosowanie tej technologii na dworcach lotniczych i stacjach kolejowych, przez które przewijają się setki tysięcy podróżnych dziennie. Jest masa energii, którą zużywają ludzie przechodzący przez centra handlowe i porty lotnicze - twierdzi Eckhard Groll, profesor budowy maszyn na Purdue i autor zajmujący się projektem elektrycznej podłogi.

Jednak Groll twierdzi, że technologia ta nie jest jeszcze gotowa do dostarczania prądu w okresie szczytowego obciążenia sieci. Umieszczanie piezoelementów w każdej płytce jest nieopłacalne – dodaje. Nawet jeśli koszty produkcji spadną wraz ze wzrostem wielkości produkcji, koszt płytek nie zbliży się do kosztu wykładzin dywanowych czy linoleum. A to – mówi – będzie decydującym czynnikiem dla wielu technologii wykorzystujących niekonwencjonalne źródła energii.

Druciki z tlenku cynku działają jako “nanogeneratory”, wytwarzając mniej niż nanoamper prądu elektrycznego, gdy się je rozciąga lub zgina. W przeciwieństwie do konwencjonalnych piezoelementów, nanogeneratory nie potrzebują częstotliwości rezonansu, by wytwarzać prąd.

Pojawia się pytanie, ile kosztuje podłoga tego typu i ile prądu faktycznie ona wytworzy? Przy obecnych cenach energii, może upłynąć sporo czasu, zanim inwestycja się zwróci - stwierdza Groll. Ale w miarę, jak elektryczność będzie drożała, a ceny produkcji będą spadać, za dziesięć lat sprawa może wyglądać inaczej.

Aby takie systemy mogły w końcu odnieść sukces, trzeba pokonać jeszcze jedną przeszkodę. Większość technologii „nanoenergetycznych” operuje w zakresie od kilku milivoltów do około 800 mV – jest to za mało dla wielu urządzeń zagnieżdżonych. Aby rozwiązać te problemy, producenci elektroniki zaczęli wprowadzać na rynek przetworniki, których celem jest zwiększenie pozyskanego napięcia do bardziej przydatnego poziomu.

Freescale Semiconductor opracowała na przykład ultraniskonapięciowy przetwornik dc/dc, przeznaczony do zastosowań związanych z ogniwami słonecznymi i innymi systemami uzyskującymi energię z niekonwencjonalnych źródeł. Urządzenie to umożliwia pracę na poziomie nawet 0,25 V. To istotne, bo większość obwodów scalonych nie może się uruchomić na poziomie niższym niż typowe napięcie załączeniowe tranzystora, które wynosi około 0,7 V.

Nasz przetwornik bierze to niskie napięcie i zwiększa je do około 5V, z możliwością regulacji - twierdzi Parmenter z Freescale. W ten sposób można do czegoś wykorzystać uzyskaną energię.

Nowe zastosowania dla małej mocy

Co więcej, zakres możliwości rośnie. Potencjalne zastosowania obejmują urządzenie otwierające drzwi garażu, systemy czujników elektronicznych dla żołnierzy i telefony komórkowe.

Ubierając chomika w koszulkę zawierającą cztery nanogeneratory, naukowcy uzyskali prąd o natężeniu około 0,5 nA.

W telefonach komórkowych wzmacniacz RF wydziela ciepło - stwierdza Parmenter. Co by się stało, gdyby umieścić tam mały radiator? Jedna strona się rozgrzewa, druga ochładza i można wykorzystać ciepło odpadowe do ładowania baterii.

Parmenter twierdzi, że Freescale otrzymała dziesiątki próśb o pomoc techniczną we wdrażaniu takich systemów. Prowadzimy rozmowy z ludźmi, którzy wytwarzają przenośne urządzenia wszelkiego rodzaju, w tym na potrzeby obrony i bezpieczeństwa kraju - stwierdza. Rozmawiamy z ludźmi, którzy produkują radiostacje dla zestrzelonych pilotów. Ludzie chcą się pozbyć baterii – a przynajmniej chcą je rzadziej ładować.

Niektóre firmy mówią nawet o wykorzystaniu ciepła ludzkiego ciała jako źródła energii. Podobno pewien producent projektuje bandaże z wbudowanym termometrem, a inny próbuje wykorzystywać gradienty temperatury ludzkiego ciała do zasilania komputerów używanych na polu walki.

Kilka miesięcy temu powiedziałbym, że nikt nie może wykorzystywać tak małej mocy - twierdzi Parmenter. Ale teraz można coś z nią zrobić.