Генерация электричества из ничего

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2020

Sam Davis

Power Electronics

Американские и китайские ученые научились извлекать электричество из движений человека и колебаний температуры окружающей среды

Ученые из Университета штата Нью-Йорк в Буффало (University at Buffalo – UB) и Массачусетского технологического института (MIT) заинтересовались неординарными способами генерации электрической энергии. Например, в созданном под руководством исследователей из UB совместно со специалистами Института полупроводников (IoP) Китайской академии наук (Chinese Academy of Science – CAS) трибоэлектрическом наногенераторе в электричество преобразуется энергия трения, а в разработке сотрудников MIT – колебания температуры.

Исследователи из UB и CAS предлагают вырабатывать электричество с помощью тонкой металлической накладки, которая будучи прикрепленной к телу человека способна генерировать электричество, например, при сгибании пальца или в результате других простых движений. Результаты исследования созданного трибоэлектрического генератора были опубликованы в онлайн-журнале Nano Energy [1].

«Никто не хочет быть привязанным к розетке или постоянно носить с собой портативную зарядку, – говорит один из руководителей проекта, доктор философии, адъюнкт-профессор электротехники в Школе инженеров и прикладных наук UB Цяоцян Гань (Qiaoqiang Gan). – А тело человека является богатым источником энергии. Вот мы и подумали – а почему бы не использовать его для выработки электричества?» (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Прототип трибоэлектрического наногенератора. (Источник: Nano Energy).

Трибоэлектрический заряд возникает после контакта некоторых различных материалов. Например, обычное статическое электричество, с которым мы сталкиваемся каждый день, имеет трибоэлектрическую природу. На сегодняшний день учеными уже придумано множество различных наногенераторов, основанных на трибоэлектрическом эффекте, однако большинство из них либо сложны в изготовлении, требуя специфической литографии, либо экономически неэффективны.

Генератор, разработанный коллективами UB и CAS, лишен указанных недостатков. Его основой является слой полидиметилсилоксана (Polydimethylsiloxane – PDMS) – полимера на основе кремния, используемого в контактных линзах, «жвачке для рук» (Silly Putty) и других продуктах, зажатый между двумя тонкими золотыми электродами.

Ключевой особенностью генератора является форма одного из электродов. При его изготовлении тонкая золотая фольга вначале растягивается во все стороны, а затем сжимается, в результате чего контактная поверхность становится похожей на миниатюрный горный хребет. Любая повторяющаяся деформация накладки, например, при сгибании пальца, приводит к трению золота о PDMS.

«Трение заставляет электроны перемещаться взад и вперед между слоями золота, – поясняет другой ведущий автор проекта, доктор философии, профессор IoP в CAS Юнь Сюй (Yun Xu). – Чем интенсивнее трение, тем больше вырабатывается электричества». Описанная в исследовании небольшая накладка длиной 1.5 см и шириной 1 см обеспечивала максимальное напряжение 124 В при максимальном токе 10 мкА, что соответствовало удельной мощности 0.22 мВт/см². Конечно, этого мало для быстрой зарядки смартфона, однако вполне достаточно для одновременной засветки 48 красных светодиодов.

Соавторами этого проекта также являются Хуэмин Чен (Huamin Chen) из IoP и CAS и аспирант UB Нань Чжан (Nan Zhang).

Поскольку накладка проста в изготовлении, повышением ее эффективности занимается группа студентов под руководством Нань Чжана. Его команда планирует увеличить площадь золотых электродов, что, как ожидается, приведет к увеличению мощности генератора.

Ученые также работают над созданием портативного аккумулятора для хранения энергии, вырабатываемой накладкой. Предполагается, что такая система будет служить источником питания для носимых и автономных устройств.

Исследование, поддерживаемое Национальным научным фондом США, Национальной программой фундаментальных исследований и Национальным научным фондом Китая, входит в число Научно-технических проектов Пекина и ключевых направлений передовых научных исследований Китайской академии наук, а также включено в Национальный план исследований и развития.