بازیافت الکتریسیته هدر رفته با استفاده از ژنراتورهای triboelectric

زونگ لین وانگ، پروفسور موسسه فناوری جورجیا، هزار لامپ LED را بدون باتری و بدون کابل برق روشن می کند. منبع این جریان الکتریکی در اصل از همان جرقه های کوچکی می باشد که از نوک انگشتان هنگام گرفتن دستگیره در و یا زمان راه رفتن بر روی فرش در یک روز سرد و خشک می جهد. وانگ و گروه تحقیقاتی او چگونگی کسب و بکار گیری این برق را آموخته اند.
به گزارش "برق نیوز" وانگ برای تولید این مقدار شگفت آور برق، از تکنیک مالش و یا لمس دو ماده مختلف با یکدیگر استفاده می کند که به عنوان اثر triboelectric شناخته شده است. او معتقد است که این کشف می تواند با گرفتن انرژی مکانیکی هدر رفته بطور متفاوت از منابعی مانند راه رفتن، وزش باد، ارتعاش ، امواج اقیانوس و یا حتی حرکت اتومبیل راه جدیدی را در تولید برق موردنیاز دستگاه های موجود در تلفن همراه از قبیل سنسورها و گوشی های هوشمند ارائه کند.
فراتر از تولید برق، این فناوری همچنین می تواند نوع جدیدی از حسگرهای خود شارژ کننده را ارائه دهد، که امکان تشخیص لرزش، حرکت، نشت آب، انفجار و یا حتی بارش باران را دارا می باشد. بنیاد ملی علوم، وزارت انرژی ایالات متحده، MANA ، بخشی از موسسه ملی مواد در ژاپن، شرکت کره ای سامسونگ و آکادمی علوم چین، از حامیان مالی این تحقیق می باشند
ژنراتور triboelectric ، در ساده ترین شکل خود از دو ورق با مواد غیر مشابه، یکی الکترون دهنده و دیگری پذیرنده الکترون استفاده می کند. هنگامی که این دو ورق در تماس با هم هستند، الکترون ها از یک ماده به دیگری جریان می یابد. سپس اگر این دو ماده از هم جدا شوند، با فاصله گذاری بین آنها یک ورق بار الکتریکی را نگه می دارد. با اتصال این بار الکتریکی به دو الکترود که در لبه های بیرونی دو سطح قرار گرفته، یک جریان الکتریکی کوچک جریان می یابد و تا زمانی که بارهای الکتریکی مساوی شوند ادامه می یابد.

با تکرار مداوم این روند، یک جریان متناوب می تواند تولید گردد. در روش مشابه دیگری، با استفاده از مواد پلیمری انعطاف پذیر اغلب ارزان قیمت، در صورت مالش قبل از اینکه از هم جدا شوند، جریان الکتریکی تولید می شود. این ژنراتورها جریان DC نیز تولید می کنند.
وانگ توضیح داد: این روش، یک تکنیک جداسازی و فاصله گذاری می باشد که سبب افت ولتاژ گردیده و منجر به جریان بارهای الکتریکی خارجی و قابل استفاده بودن این شارژ می گردد. این ژنراتور می تواند انرژی های مکانیکی تصادفی را از محیط اطراف به انرژی الکتریکی تبدیل نماید.
از زمان انتشار این پژوهش برای نخستین بار تاکنون، وانگ و تیم تحقیقاتی او ظرفیت توان خروجی ژنراتور triboelectric را با ضریب 100000 افزایش داده اند، طبق گزارشات، یک متر مربع از مواد تک لایه می تواند به میزان 300 وات برق تولید کند. آنها اکنون دریافته اند که ظرفیت حجم توان در هر متر مکعب به بیش از 400 کیلو وات و راندمان آن به بیش از 50 درصد می رسد. محققان محدوده تکنیک های جمع آوری انرژی را از " لباس های قدرت" شامل جیب هایی از جنس مواد تولید کننده گرفته تا الحاقات کفش، سوت، پدال پا، پادری، کوله پشتی و ضربه های وارده بر شناورها بر روی امواج اقیانوس گسترش داده اند.
آنها چگونگی افزایش قدرت خروجی را با استفاده از الگوهای با مقیاس میکرون در ورق های پلیمری آموخته اند. الگودهی به طور موثر سطح تماس را افزایش می دهد و در نتیجه اثر انتقال بار را می افزاید.
وانگ و گروه او پتانسیل تولید قدرت از اثر triboelectric را هنگام کار بر روی ژنراتورهای پیزوالکتریک (که از فن آوری متفاوتی استفاده می کنند) و به طور تصادفی کشف کردند. خروجی دستگاه پیزوالکتریک بسیار بزرگتر از حد انتظار بود و علت این خروجی بالا مونتاژ نادرست ردیابی شده بود که در آن دو سطح پلیمری در مالش با هم قرار داشتند.
این گروه در حال حاضر چهار اسلوب اساسی از ژنراتورهای triboelectric را کشف کرده اند.
از تحقق اولیه احتمالات این اثر توسط گروه وانگ تاکنون، این تیم کاربردهای آن را توسعه داده اند. آنها اکنون می توانند از تماس بین آب (آب دریا، آب لوله کشی و حتی آب مقطر) و یک سطح پلیمر الگو، جریان تولید کنند. آخرین مقاله آنها در مجله ACS Nano در ماه نوامبر منتشر شده که چگونگی برداشت انرژی از صفحه لمسی کامپیوتر لپ تاپ، توصیف شده است.
آنها در حال حاضر از طیف گسترده ای از مواد استفاده می کنند، از جمله انواع پلیمرها، پارچه ها و حتی کاغذها. این مواد ارزان قیمت بوده و می تواند شامل منابعی مانند بطری های نوشیدنی بازیافت شده باشد. این ژنراتورها می توانند از پلیمرهای تقریبا شفاف ساخته شوند که امکان استفاده آنها را در صفحه های نمایش و پدهای لمسی میسر می سازد.
فراتر از استفاده آن به عنوان یک منبع قدرت، وانگ همچنین از اثر triboelectric در اندازه گیری، بدون منبع قدرت خارجی، استفاده می کند. به دلیل این که ژنراتورها هنگامی که آشفته می شوند جریان تولید می کنند، قابل استفاده برای اندازه گیری تغییرات در میزان جریان، حرکت ناگهانی، و یا حتی ریزش قطرات باران می باشند.
وانگ اظهار داشت: اگر یک نیروی مکانیکی در این ژنراتور بکار برده شود، جریان الکتریکی و ولتاژ تولید خواهند کرد، و ما قادریم این جریان و ولتاژ را به عنوان سیگنال های الکتریکی برای تعیین میزان تحریک مکانیکی اندازه گیری کنیم. چنین سنسورهایی می تواند برای نظارت در ترافیک، امنیت، علوم زیست محیطی، مراقبت های بهداشتی و کاربردهای زیربنایی مورد استفاده قرار گیرد.