Zainspirowani klasyczną zabawką z ptaszkiem do picia naukowcy z Hongkongu i Kantonu w Chinach opracowali silnik, który skutecznie przekształca energię pochodzącą z parowania wody w energię elektryczną do zasilania małych urządzeń elektronicznych. Jak wynika z badania opublikowanego 14 marca w czasopiśmie Device, urządzenie wytwarza energię o napięciu przekraczającym 100 woltów – znacznie wyższym niż inne techniki wytwarzania energii elektrycznej z wody – i może działać przez kilka dni, zużywając zaledwie 100 mililitrów wody jako paliwa.
„Tryboelektryczny generator hydrowoltaiczny dla ptaków pitnych oferuje wyjątkowe możliwości zasilania małych urządzeń elektronicznych w warunkach otoczenia, wykorzystując wodę jako łatwo dostępne źródło paliwa” – powiedział Hao Wu, profesor na South China University of Technology i pierwszy autor badania. „Nadal jestem zaskoczony i podekscytowany, gdy jestem świadkiem rzeczywistych wyników”.
Zabawka-ptaszek do picia, zwana także „ptakiem zanurzonym”, od dziesięcioleci jest stałym elementem sal lekcyjnych. Zabawka składa się z dwóch szklanych żarówek połączonych szklaną rurką, w której przechowywana jest bardzo lotna ciecz, chlorek metylenu. Górna część żarówki, na którą składa się dziób ptaka i ozdobny cylinder, pokryta jest materiałem przypominającym filc, a ciało ptaka zawieszone jest na dwóch plastikowych nogach. Po zanurzeniu głowy ptaka w szklance wody woda zaczyna parować. Powoduje to różnicę ciśnień, która powoduje, że płyn w dolnej bańce unosi się przez rurkę, aż wypełni głowę, co powoduje, że ptak zanurza się do przodu w wodzie, aby „napić się”, zanim proces rozpocznie się od nowa.
Kiedy Wu była na stażu podoktorskim w grupie prof. Zuankai Wanga na Politechnice w Hongkongu i zastanawiała się, jak wytworzyć większe napięcie wyjściowe z generatora energii parowania, przypomniała sobie zabawkę pijącego ptaka i uderzył ją pomysł, że można ją wykorzystać jako więcej niż narzędzie do demonstracji koncepcji fizyki.
„Zacząłem zastanawiać się, czy moglibyśmy najpierw przekształcić energię parowania w energię mechaniczną, a następnie przełożyć ją na energię elektryczną” – powiedział Wu. „Wtedy przyszedł mi do głowy pomysł wykorzystania zabawki-ptaka pijącego. Dzięki tej inspiracji narodziła się koncepcja tryboelektrycznego generatora hydrowoltaicznego pitnego ptaka.”
Aby skonstruować generator, Wu i współpracownicy umieścili dwa tryboelektryczne moduły nanogeneratorów, które gromadzą energię mechaniczną, po obu stronach silnika ptaka pijącego, który zrekonstruowali na podstawie komercyjnej zabawki ptaka pijącego. Naukowcy przetestowali prototyp z różnymi drobnymi urządzeniami elektronicznymi, wykorzystując go do zasilania 20 wyświetlaczy ciekłokrystalicznych (LCD), czujników temperatury i kalkulatorów.
Pokonanie tarcia, które spowalniało generator, było głównym wyzwaniem w badaniu, powiedział Wu. Naukowcy umieścili wzorzyste włókna jako materiały przenoszące ładunek w modułach nanogeneratorów tryboelektrycznych, co pomogło zmniejszyć tarcie i umożliwiło płynniejsze działanie urządzenia.
W kolejnej fazie badań zespół planuje zaprojektować nowego ptaka do picia zamiast korzystać z dostępnej na rynku zabawki, aby efektywniej przekształcać odparowanie wody w energię elektryczną.
„Dodatkowo zbadamy różne możliwości zastosowania tego urządzenia, a ostatecznym celem będzie dostarczenie praktycznego produktu, który będzie można wykorzystać w naszym codziennym życiu” – powiedział Zuankai Wang, autor korespondujący z tym badaniem i profesor katedralny na Politechnice w Hongkongu .
Prace te były wspierane przez Radę ds. Grantów Badawczych w Hongkongu, fundusz Meituan Green Tech Fund i fundację New Cornerstone Science Foundation.