Wyobraź sobie, że możesz wytwarzać energię elektryczną, wykorzystując wilgoć w otaczającym Cię powietrzu za pomocą zwykłych przedmiotów codziennego użytku, takich jak sól morska i kawałek tkaniny, a nawet zasilając codzienną elektronikę nietoksyczną baterią, która jest tak cienka jak papier. Zespół naukowców z College of Design and Engineering (CDE) Narodowego Uniwersytetu Singapuru (NUS) opracował nowe urządzenie do generowania elektryczności sterowanej wilgocią (MEG), wykonane z cienkiej warstwy tkaniny — około 0,3 mm (mm) w grubość – sól morska, tusz węglowy i specjalny żel absorbujący wodę.
Koncepcja urządzeń MEG opiera się na zdolności różnych materiałów do generowania elektryczności w wyniku interakcji z wilgocią w powietrzu. Obszar ten cieszy się coraz większym zainteresowaniem ze względu na jego potencjał dla szerokiej gamy zastosowań w świecie rzeczywistym, w tym urządzeń z własnym zasilaniem, takich jak urządzenia elektroniczne do noszenia, takie jak monitory zdrowia, elektroniczne czujniki skóry i urządzenia do przechowywania informacji.
Kluczowe wyzwania związane z obecnymi technologiami MEG obejmują nasycenie wodą urządzenia wystawionego na działanie wilgoci z otoczenia oraz niezadowalającą wydajność elektryczną. Tak więc energia elektryczna wytwarzana przez konwencjonalne urządzenia MEG jest niewystarczająca do zasilania urządzeń elektrycznych, a także nie jest zrównoważona.
Aby sprostać tym wyzwaniom, zespół badawczy kierowany przez adiunkta profesora Tan Swee Chinga z Wydziału Materiałoznawstwa i Inżynierii w ramach CDE opracował nowatorskie urządzenie MEG zawierające dwa regiony o różnych właściwościach, aby stale utrzymywać różnicę w zawartości wody w różnych regionach w celu generowania energii elektrycznej i pozwalają na moc elektryczną przez setki godzin.
Ten przełom technologiczny został opublikowany w drukowanej wersji czasopisma naukowego Advanced Materials 26 maja 2022 roku.
Trwała, samoładująca się „bateria” oparta na tkaninie
Urządzenie MEG zespołu NUS składa się z cienkiej warstwy tkaniny pokrytej nanocząsteczkami węgla. W swoich badaniach zespół wykorzystał dostępną na rynku tkaninę wykonaną z pulpy drzewnej i poliestru.
Jeden obszar tkaniny jest pokryty higroskopijnym jonowym hydrożelem i ten obszar jest znany jako obszar mokry. Wyprodukowany z soli morskiej, specjalny żel wchłaniający wodę może wchłonąć ponad sześciokrotnie większą wagę niż pierwotna i służy do zbierania wilgoci z powietrza.
„Sól morska została wybrana jako związek absorbujący wodę ze względu na jej nietoksyczne właściwości i potencjał zapewnienia zrównoważonej opcji dla zakładów odsalania w celu pozbycia się wytworzonej soli morskiej i solanki” – powiedział doc. prof. Tan.
Drugi koniec tkaniny to obszar suchy, który nie zawiera higroskopijnej jonowej warstwy hydrożelu. Ma to na celu zapewnienie, że ten obszar jest suchy, a woda jest ograniczona do obszaru mokrego.
Po zmontowaniu urządzenia MEG energia elektryczna jest wytwarzana, gdy jony soli morskiej są oddzielane, ponieważ woda jest absorbowana w mokrym obszarze. Wolne jony o ładunku dodatnim (kationy) są absorbowane przez nanocząstki węgla naładowane ujemnie. Powoduje to zmiany na powierzchni tkaniny, generując na niej pole elektryczne. Te zmiany powierzchni dają również tkaninie możliwość przechowywania energii elektrycznej do późniejszego wykorzystania.
Dzięki unikalnemu projektowi obszarów wilgotno-suchych naukowcy z NUS byli w stanie utrzymać wysoką zawartość wody w obszarze wilgotnym i niską zawartość wody w regionie suchym. Pozwoli to utrzymać moc elektryczną nawet wtedy, gdy wilgotny obszar jest nasycony wodą. Po pozostawieniu w otwartym, wilgotnym środowisku przez 30 dni, woda była nadal utrzymywana w mokrym obszarze, wykazując skuteczność urządzenia w utrzymywaniu mocy elektrycznej.
„Dzięki tej wyjątkowej asymetrycznej strukturze, wydajność elektryczna naszego urządzenia MEG jest znacznie poprawiona w porównaniu z wcześniejszymi technologiami MEG, dzięki czemu możliwe jest zasilanie wielu popularnych urządzeń elektronicznych, takich jak monitory stanu zdrowia i elektronika do noszenia” – wyjaśnił doc. prof. Tan.
Urządzenie MEG zespołu wykazywało również wysoką elastyczność i było w stanie wytrzymać naprężenia spowodowane skręcaniem, toczeniem i zginaniem. Co ciekawe, naukowcy wykazali jego wyjątkową elastyczność, składając tkaninę w żurawia origami, co nie wpływało na ogólną wydajność elektryczną urządzenia.
Przenośny zasilacz i nie tylko
Urządzenie MEG ma natychmiastowe zastosowanie ze względu na łatwość skalowalności i dostępne na rynku surowce. Jednym z najpilniejszych zastosowań jest zastosowanie jako przenośne źródło zasilania do mobilnego zasilania elektroniki bezpośrednio przez wilgotność otoczenia.
„Po absorpcji wody, jeden kawałek materiału generującego energię o wymiarach 1,5 na 2 centymetry może dostarczać do 0,7 wolta (V) energii elektrycznej przez ponad 150 godzin w stałym środowisku” – powiedział członek zespołu badawczego, dr Zhang Yaoxin.
Zespół NUS z powodzeniem zademonstrował również skalowalność swojego nowego urządzenia w generowaniu energii elektrycznej do różnych zastosowań. Zespół NUS połączył ze sobą trzy kawałki materiału generującego energię i umieścił je w wydrukowanej w 3D obudowie, która miała rozmiar standardowej baterii AA. Testowano, że napięcie zmontowanego urządzenia osiąga nawet 1,96 V – więcej niż w przypadku komercyjnej baterii AA o napięciu około 1,5 V – co wystarcza do zasilania małych urządzeń elektronicznych, takich jak budzik.
Skalowalność wynalazku NUS, wygoda uzyskiwania dostępnych na rynku surowców, a także niski koszt produkcji wynoszący około 0,15 S$ za metr kwadratowy sprawiają, że urządzenie MEG nadaje się do masowej produkcji.
„Nasze urządzenie wykazuje doskonałą skalowalność przy niskich kosztach produkcji. W porównaniu z innymi strukturami i urządzeniami MEG, nasz wynalazek jest prostszy i łatwiejszy do skalowania integracji i połączeń. Wierzymy, że niesie ogromne nadzieje na komercjalizację” – powiedział doc. prof. Tan.
Naukowcy złożyli patent na tę technologię i planują zbadać potencjalne strategie komercjalizacji dla zastosowań w świecie rzeczywistym.
Wideo: https://youtu.be/8WOh-trN9cw