Печать - Инженерам удалось извлечь энергию из бега хомяка

Домашний хомяк теперь не только любимый питомец, но и источник электроэнергии. Инженеры одели животное в курточку со встроенным наногенератором. И теперь питомец не просто бегает в колесе, а вырабатывает ток.

Солнце, волны, приливы и отливы, ветер — вот далеко не полный список возобновляемых источников энергии. Хотя солнечные батареи, ветрогенераторы и гидроэлектростанции уже широко используются, да и активные разработки в этих областях продолжаются, не останавливается и поиск других, менее очевидных источников. Так, например, инженеры активно применяют в качестве источника тока разного рода механические движения. Причем интерес вызывают как макрообъекты, так и совсем крохотные источники энергии.

Наномеханика Жон Линь Вана

Группа наноисследований профессора Жон Линь Вана из Школы материаловедения и инженерии Института технологий Джорджии (School of Materials Science & Engineering Georgia Institute of Technology) уже не первый год работает над микро— и наногенераторами для преобразования механической энергии в электрическую. И команда эта, пожалуй, дальше всего продвинулась в этой области.

Так, например, несколько месяцев назад им, наконец, удалось создать генератор тока на основе пьезоэлектрического оксида цинка. Принцип его работы базировался на пьезоэлектрическом эффекте — возникновении электрического тока в диэлектрике при его механической деформации.

Однако тогда электромеханические испытания проводились с использованием специально созданного манипулятора, который с различной скоростью деформировал генератор. Инженерам удалось получить ток с напряжением в 45 мВ на модельном монопроволочном генераторе. То есть рабочее пьезокристаллическое волокно было только одно. Но уже тогда Жон Линь Ван говорил, что в их силах увеличить мощность генератора, если они соединят пьезокристаллические элементы в серию. А также о том, что генератор уже фактически готов для использования на реальных объектах — движущихся или пульсирующих частях живых организмов.

Реализация идей не заставила себя долго ждать. Результаты своей последней работы профессор Ван и его коллеги опубликовали в журнале Nano Letters.

Им удалось соединить нано— и субмикроволокна оксида цинка в серии по четыре штуки. Между собой и с внешней электрической цепью они соединялись с помощью серебряных контактов. Устройство сработало. Впрочем, особенных сомнений эта схема и не вызывала.

Живые испытания

Но главное — ученым удалось испытать свое устройство на живых объектах. Сначала они прикрепили пластинку с закрепленным на ее поверхности одиночным генератором поверх сустава указательного пальца человека. Барабаня пальцем по столу, испытуемый вырабатывал переменный ток. Правда, его максимальное напряжение оказалось всего 20—25 мВ. То есть меньше, чем при использовании механического манипулятора.

Еще интереснее они поступили с «серийным» генератором из четырех пьезоэлектрических проводков. Ученые прикрепили его к крохотной курточке и надели ее на хомяка. Бегая в колесе, грызун работал своими крохотными мускулами. При их сокращении гибкая пластинка, закрепленная на плотной курточке, деформировалась, вызывая тем самым деформацию пьезоэлектрических волокон, а значит, и электрическое напряжения на их концах.

Ток, вырабатываемый хомяком, тоже оказался небольшим — всего 100—150 мВ. Зато когда грызун просто почесывался или чистился, ток также вырабатывался, хоть и примерно в десять раз меньше.

Подобные модельные устройства создавались и в других группах. Однако они могли использовать только регулярные движения, производимые с определенной частотой. Прибор от группы Вана таких ограничений не имеет. И в этом его преимущество, ведь большинство движений организма — будь то прогулочная походка, размахивание руками, дыхание и даже сердцебиение — не имеют постоянных амплитуды и периода.

Наномакроперспективы

Профессор Ван надеется, что если еще увеличить количество рабочих нанопроволочек в серии, вырастет и напряжение и мощность производимой электроэнергии. Сейчас мощность составляет лишь около 1 нановатт. Если удастся достичь микроватта, то это откроет широкие перспективы для применения таких интересных объектов, как имплантируемые наносенсоры. Они могут вводиться под кожу и постоянно замерять содержание различных токсинов, сахара у диабетиков, а также белков, присутствие которых может свидетельствовать о наличии раковых заболеваний. Однако одна из причин, по которым тормозится внедрение таких сенсоров, — отсутствие подходящих источников тока. По размеру близких к самим сенсорам и долгоживущих, которых не придется часто извлекать и заменять хирургическим путем.

Это одно из направлений, в котором может пойти разработка наногенераторов. Есть и другое. Профессор Ван, например, уверен, что в ближайшие пять-десять лет удастся сильно повысить КПД таких устройств, а значит, и их мощность. Так что пьезоэлектрические волокна уже на фабриках будут вплетаться в ткани, из которых будут шиться куртки. Только не для хомяков, а для человека. От таких курток их владельцы смогут подзаряжать свои портативные электронные устройства.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------

В продолжение темы, материал, опубликованный на сайте "Популярная механика".

Включение нановолокон в структуру ткани позволит вырабатывать энергию из трения, возникающего в одежде при ходьбе.

Сегодня поиски альтернативных источников энергии – одно из самых популярных направлений научных исследований. В дело идет практически все: солнечный свет и ветер, океанские течения и энергия вакуума… Массу применений могут найти и устройства, способные сами добывать энергию из окружающей среды. Они будут полезны, прежде всего, там, куда доставить энергию в принципе не так просто. Например, исследователи в диких джунглях могли бы не испытывать нужды в аккумуляторах, а медицинский наноробот, пробирающийся по закоулкам человеческого тела, уверенно выполнял бы свою задачу. В качестве одной из альтернатив для этого можно использовать нанопровода.

Механические преобразователи на основе нанопроводов могут получать энергию за счет вибрации, возникающей при ходьбе, сердцебиении, течении жидкостей или газов. Американские исследователи во главе с Жон Лин Вангом (Zhong Lin Wang) предложили простой и недорогой способ генерации электрического тока при помощи пьезоэлектрических нанопроводов из оксида цинка, выращенных на текстильных волокнах. Одежда из такого материала будет вырабатывать электричество за счет трения, возникающего при ее эксплуатации.

На иллюстрации слева видно, как выглядят такие «чудо-волокна». Кевларовая сердцевина покрыта нанопроводами оксида цинка. Получившееся волокно очень гибко и прочно: при сворачивании его в петлю диаметром 1 мм не было замечено никаких повреждений. Для получения электричества два волокна скручиваются в спираль, причем одно из них покрывается слоем золота, которое выступает в роли катода. При трении волокон между концами цепи возникала разность потенциалов 1-3 мВ.

Объединение волокон в нити, из которых потом можно будет изготовить и ткань, должно привести и к увеличению производительности устройства. По расчетам авторов, что таким образом будет достигнута мощность 20-80 мВт на кв. метр ткани.

Читайте и о других поразительных генераторах, способных добывать энергию буквально из чего угодно: из дождевых капель («Электрический дождик»), из городских вибраций («Сила встряски») и шума («Шумная энергия»).

Реклама: