Нановаттный генератор заменит батареи в миниатюрных сенсорах

Нановаттный генератор в заменит батареи в миниатюрных сенсорах

Европейская исследовательская группа, включающая ученых из Центра синхротронного излучения DESY и Технологического университета Гамбурга, представила инновационную разработку трибоэлектрического наногенератора, способного вырабатывать электричество путем перемещения воды внутрь и наружу пористой структуры кремния. Это открытие знаменует собой значительный прогресс в направлении беспрецельной подачи энергии для датчиков и других маломощных устройств.

Исследователи поставили перед собой цель выяснить, возможно ли создать надежный источник электроэнергии, используя простую комбинацию кремния и воды таким образом, чтобы механическое давление и движение жидкости могли служить источником электричества, а не пропадать впустую. Итогом стало создание трибоэлектрического генератора, основанного на структуре кремния с наносистемами, использующей поток воды сквозь поры размером всего лишь в несколько нанометров для выработки заряда.

Основой устройства является структура кремния, обладающая одновременно тремя ключевыми свойствами: электрической проводимостью, наличием нанореакций и гидрофобностью поверхности. Хотя электропроводность кремния давно используется в микроэлектронике, комбинация всех трех характеристик в одном материале представляет собой важное достижение.

Это сочетание позволяет ученым контролировать процесс проникновения воды, ее движения внутри сети пор и выхода из нее, стабилизируя эффект трибоэлектрификации и делая его масштабируемым, а не хрупким лабораторным образцом.

Механизм преобразования энергии заключается в процессе трибоэлектрификации – тот же самый механизм, благодаря которому человек накапливает заряд, проходя по ковру, и затем разряжается небольшим искровым разрядом при прикосновении к другому объекту. Здесь, однако, движущей фазой выступает жидкость, а не твердая подошва обуви. Под давлением вода проталкивается внутрь и выходит из крошечных пор, взаимодействуя с поверхностью твердого кремния и передавая заряд на границе раздела жидкого и твердого вещества. Конструкция устройства специально разработана для захвата этого поверхностного заряда и превращения его в полезную электрическую энергию, предотвращая её рассеивание.

Один из наиболее впечатляющих результатов исследования команды – эффективность преобразования около 9%, что является наивысшим показателем среди аналогичных систем. На практике это означает, что значительная доля механической энергии, используемой для приведения воды в движение, преобразуется в электроэнергию на выводах устройства.

Для большинства трибоэлектрических систем низкая или нестабильная эффективность является серьезной проблемой, преодоление которой приближает концепцию ближе к реальным энергетическим бюджетам сенсоров и маломощной электроники.

Ученые видят потенциал своей технологии в создании автономных сенсорных систем, не требующих обслуживания и непосредственно черпающих энергию из окружающей среды. Они указывают на возможные области применения, включая обнаружение влаги, мониторинг спортивных показателей и состояния здоровья в умных тканях, а также тактильную роботику, где ощущение касания или движения генерирует электрический сигнал, необходимый для чувствительных элементов.

Во всех перечисленных случаях генератор можно интегрировать в поверхности или конструкции, подверженные перемещению или воздействию давления, потенциально устраняя необходимость батарей или подключения к электросети и снижая затраты на обслуживание.

Команда привела автомобильную подвеску в качестве примера возможной интеграции системы. Внутри колесной арки удары и вибрации уже создают механические колебания и изменения давления. Интеграция модуля на основе кремния и воды в такую среду позволит циклическое сжатие и расслабление материала, обеспечивая прохождение воды через нанопористую структуру и превращая механическим шум в питание для локальных сенсоров, контролирующих производительность, износ или условия эксплуатации автомобиля.

Особенностью разработки является использование широко распространенных материалов, хорошо изученных наукой, вместо экзотических соединений. Устройство изготовлено из кремния, самого распространенного полупроводника в электронной промышленности, и воды, самой распространенной жидкости на Земле. Эти материалы были выбраны не случайно, ведь они имеют решающее значение для производства и стоимости конечного продукта.

Проект, возглавляемый исследователями из Гамбурга, вписывается в общую тенденцию исследований по извлечению небольших количеств энергии из повседневных движений и потоков жидкостей. Например, во Франции студенты создали турникеты метро, способные производить достаточно энергии от пассажирского трафика для питания экранов станций. Другая международная команда продемонстрировала методы извлечения энергии, возникающей при прохождении слабых ветров над каплями воды, превращая тонкие водные потоки в источник энергии. Все эти параллельные разработки показывают общее направление развития технологий: воспринимать обычные механические и гидравлические движения как потенциальный ресурс энергии, а не фоновый шум.