Vanderbilt Üniversitesi’nin Nanomalzemeler ve Enerji Cihazları Laboratuvarı’nda yeni ultra ince bir enerji toplama sistemi geliştirildi.
Yeni cihaz akü teknolojisine dayanarak sadece birkaç atom kalınlığındaki siyah fosfor katmanlarından yapıldı. Cihaz insan hareketinin karakteristik özelliği olan bükülme veya basılma hareketlerinde son derece düşük frekanslarda elektrik üretiyor.
Araştırmayı yöneten Makina Mühendisliği Bölümünden Profesör Cary Pint, “Gelecekte, hareketlerimizle ve çevremizden doğrudan enerji çekerek kişisel cihazlarımız için şarj depolarına dönüşeceğimizi düşünüyorum” dedi.
Dr. Pint, Yeni enerji toplama sistemini “2D Siyah Fosfor Nanosetlerini Kullanan Ultra Düşük Frekanslı Elektrokimyasal Mekanik Darbeli Enerji Hasat Makinası” şeklinde ifade ediyor.
Vanderbilt’deki mekanik ve biyomedikal mühendisliği profesörü Karl Zelik, “Dr. Pint’in malzeme ve enerji hasatındaki ilerlemelerden potansiyel olarak yararlanabilecek, dış iskelet ve akıllı kıyafetler gibi giyilebilir cihazların gelişimi göz önüne alındığında, bu tam zamanında heyecan verici bir araştırmadır.” diyor.
Halen, ortamın enerji kaynaklarına dokunmanın etkili yollarını keşfetmeyi amaçlayan muazzam bir araştırma devam ediyor. Bu araştırmalar, dört başlıkta toplanabilir.
İlki titreşimlerden ve deformasyonlardan enerji çıkarmak için tasarlanmış mekanik cihazlar. İkincisi sıcaklık değişkenlerinden enerjiyi çekmeye yönelik termal cihazlar. Üçüncüsü ışık, radyo dalgaları ve diğer radyasyon türlerinden enerji toplayan radyant enerji cihazları. Dördüncüsü ise biyokimyasal reaksiyonlara dokunan elektrokimyasal cihazlar.
Pint, “İnsan hareketi ile enerji toplamak için tasarlanan diğer yaklaşımlarla karşılaştırıldığında, yöntemimizin iki temel avantajı var. Malzemeler, atomik olarak ince bir kumaşın görünümü veya hissini etkilemeksizin tekstile entegre olabilecek kadar küçük ve saniyede 10 Hertz – 10 devirden daha yavaş olan hareketlerden enerji yakalayabiliyor.”şeklinde bilgi verdi.
Doktora öğrencileri Nitin Muralidharan ve Mengya Li, cihazları hazırlama ve test etme çalışmalarını birlikte yürütüyorlar. Muralidharan “Usain Bolt’a baktığınızda dünyadaki en hızlı insanı görüyorsunuz. Ama ben ona baktığımda 5 Hertz hızla çalışan bir makine görüyorum,” dedi.
Pint sözlerine, “Kullanılabilir enerjiyi bu düşük frekanslı hareketten ayıklamak son derece zorlu bir iş. Örneğin, bir dizi araştırma grubu, mekanik zorlamayı elektriğe dönüştüren piezoelektrik malzemeler üzerine kurulu enerji hasat makinelerimizi geliştiriyor.”
“Bununla birlikte, bu malzemeler çoğu zaman 100 Hertz’den daha yüksek frekanslarda çalışır. Bu, herhangi bir insan hareketinin küçük bir bölümünden daha fazla çalışmadığı anlamına gelir. Böylece optimal koşullar altında bile% 5-10’dan daha az etkinlik elde eder.”
“Bizim enerji hasat makinemiz ideal bir cihaz konfigürasyonunda %25’ten fazla verimlilikle çalışacak ve daha da önemlisi, oturma veya ayakta durma gibi yavaş insan hareketlerinin tümünde enerji topluyor.” diye devam etti.
Vanderbilt laboratuvarının ultra ince enerji hasat makinesi, grubun gelişmiş batarya sistemleri üzerine yaptığı araştırmalara dayanmaktadır. Ekip son 3 yıl içinde pil malzemelerinin bükülme ve gerilmeye olan temel cevabını keşfetti.
Akü malzemeleri stres altına alındığında çalışma voltajının değiştiğini deneysel olarak ilk kez ortaya koymuşlardı. Gerilim altında voltaj yükselip sıkıştırma altına düşer.
Ekip, lityum pil malzemeleri ile bu gözlemleri doğrulamak için bilgisayar modelleri kullanan Greg Walker ile işbirliği yapıyordu.
Bu gözlemler, Pint ve ekibinin pozitif ve negatif elektrotları yani aynı malzemeden yapılmış pili yeniden yapılandırmasına yol açtı. Bu, cihazın enerjiyi depolamasını engellese de, bükülme nedeniyle oluşan voltaj değişikliklerini tam olarak kullanmasına ve dolayısıyla insan hareketlerine tepki olarak önemli miktarda elektrik akımı üretmesine olanak tanır.
Laboratuvarın ilk çalışmaları 2016 yılında yayınlandı. Massachusetts Institute of Technology’de bir grup tarafından silikondan pul-boyutlu bir cihaz üretildi. Pint ve ekibi bunun için enerji toplayan ve lityumdan oluşan paralel bir atılımdan ilham aldılar.
Buna karşılık, Vanderbilt araştırmacıları siyah fosforlu nanosetleri kullanarak mümkün olduğunca ince olmasına karar verdiler. Bir malzeme çekici elektriksel, optik ve elektrokimyasal özelliklerinden dolayı 2D malzeme araştırma topluluğunun en son gözdesi haline geldi.
Enerji hasat makinasının temel yapı taşları bir insan saçı kalınlığının yaklaşık 1 / 5000’i olduğundan, mühendisler cihazlarını belirli uygulamalar için gerektiği gibi ince veya kalın yapabilirler.
Prototip cihazlarının bükülmesinin metrekare başına 40 mikrowatt ürettiğini ve 100 saniyede bir, bir periyot olarak 0.01 Hertz gibi yavaş hareketlerin tamamında mevcut nesil sürdürebildiğini keşfettiler.
Araştırmacılar, karşılaştıkları zorluklardan birinin, cihazlarının ürettiği düşük voltaj olduğunu belirttiler. Bununla birlikte, gerilimi artırmak için sürecin temel görüşlerini uyguladılar. Ayrıca LCD ekranlar gibi normal gerilimlerin altında çalışan elektrikli bileşenlerin tasarımını keşfediyorlar.
Pint, “Yazımız için güvenlik konusu gündeme getirildi,”
“Burada sorun o değil.Pozitif ve negatif elektrotlar kısa devredeyken, elektrotların ateşlenmesi, genellikle pilin yanması ile olur. Bizim enerji hasat makinemiz iki özdeş elektrota sahip olduğundan, kısa devre yaparak cihazın enerjisini toplamaktan daha fazla bir şey yapmaz. Bir prototip bir darbe izi altına alınıyorsa ateşleme gerçekleşecektir. Ancak katı hal elektrolit kullanarak bu endişeyi ortadan kaldırabiliriz. “dedi.
Bu teknolojinin daha fütüristik uygulamalarından biri de elektrikli kıyafetler olabilir. Akıllı kristal ekranlarla entegre edilmiş giysileri, kullanıcıların akıllı telefonlarında hızlıca kaydırarak renkleri ve desenleri değiştirmelerine izin verebilir.
Pint yapılan çalışma detayları ile ilgili olarak Performansı, giyilen kıyafetlerin kalınlığına ve alanlarına ölçeklendirirken, orta büyüklükte bir düşük güçlü LCD ekranın güç gereksinimi için zemindeki performansı ölçtüklerini söyledi.”
Pint, ayrıca güç sistemleri ötesinde cihazlar için potansiyel uygulamalar olduğuna inanıyor. “Giysiye dahil edildiğinde, cihazımız insan hareketinin tarihsel bir kaydını verebilecek yüksek hassasiyette bir elektrik sinyaline çevirebilir .Yada üç boyutlu hareketlerimizi izleyen kıyafetler sanal gerçeklik teknolojisi ile bütünleştirilebilir.” dedi.
