Ασύρματη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας

ένα βήμα πιο κοντά στην ασύρματη μετάδοση ενέργειας χρησιμοποιώντας στατικό ηλεκτρισμό, και πιο συγκεκριμένα την ηλέκτριση μέσω τριβής (triboelectricity).

Ας δούμε όμως για τι πράγμα μιλούν αυτές οι έννοιες, πριν δούμε την συσκευή που κατασκεύασαν οι ερευνητές.

Στατικός Ηλεκτρισμός

Όλοι γνωρίζουμε τι είναι ο ηλεκτρισμός και τι μας προσφέρει. Αυτός περιλαμβάνει διάφορα φαινόμενα, ένα από τα οποία είναι ο στατικός ηλεκτρισμός.

Ο στατικός ηλεκτρισμός είναι κάτι που γνωρίζουν οι άνθρωποι από την αρχαιότητα. Γνωστό παράδειγμα είναι, ο Θαλής ο Μιλήσιος που έκανε μια σειρά από παρατηρήσεις πάνω στο στατικό ηλεκτρισμό, γύρω στο 600 π.Χ., από τις οποίες πίστευε ότι η τριβή μετατρέπει προσωρινά το κεχριμπάρι σε ένα είδος μαγνήτη, σε αντίθεση με τον μαγνητίτη, που είναι μόνιμα μαγνήτης.

Υπό συνθήκες λοιπόν ηλεκτρικής ισορροπίας, τα άτομα ενός στοιχείου έχουν ίσο αριθμό θετικών και αρνητικών φορτίων, πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Όταν για κάποιο λόγο χαλάσει αυτή η ισορροπία, τότε δημιουργείται ο λεγόμενος στατικός ηλεκτρισμός, ο οποίος οφείλεται στην ουσία στην άνιση κατανομή του ηλεκτρικού φορτίου.

Σε αυτό το φαινόμενο βασίζεται η συγκεκριμένη εφεύρεση της ερευνητικής ομάδας.

Ασύρματη μετάδοση ενέργειας

Η ασύρματη μεταφορά ισχύος, η ασύρματη μετάδοση ισχύος, η ασύρματη μετάδοση ενέργειας ή η μεταφορά ηλεκτρομαγνητικής ισχύος είναι η μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς καλώδια.

Οι τεχνολογίες ασύρματης μετάδοσης ενέργειας χρησιμοποιούν ηλεκτρικά, μαγνητικά ή ηλεκτρομαγνητικά πεδία που διαφέρουν χρονικά.

Η ασύρματη μετάδοση είναι χρήσιμη για την τροφοδοσία ηλεκτρικών συσκευών όπου τα καλώδια διασύνδεσης είναι ακατάλληλα, επικίνδυνα ή δεν είναι δυνατά.

Οι τεχνικές ασύρματης μετάδοσης χωρίζονται σε δύο κύριες κατηγορίες: με ακτινοβολία και χωρίς ακτινοβολία. Σε τεχνικές κοντινού πεδίου (near field) ή χωρίς ακτινοβολία, η ενέργεια μεταφέρεται σε μικρές αποστάσεις από μαγνητικά πεδία χρησιμοποιώντας την επαγωγική σύζευξη μεταξύ σπειρών σύρματος ή ηλεκτρικών πεδίων χρησιμοποιώντας χωρητική σύζευξη μεταξύ μεταλλικών ηλεκτροδίων. Η επαγωγική σύζευξη είναι η πιο διαδεδομένη ασύρματη τεχνολογία. Οι εφαρμογές της περιλαμβάνουν τη φόρτιση φορητών συσκευών όπως τηλέφωνα και ηλεκτρικές οδοντόβουρτσες, RFID και φορτιστές για εμφυτεύσιμες ιατρικές συσκευές, όπως βηματοδότες ή ηλεκτρικά οχήματα.

Σε τεχνικές μακρινού πεδίου (far field) ή με ακτινοβολία, οι οποίες ονομάζονται επίσης beaming (ακτινοβολία), η ενέργεια μεταφέρεται με δέσμες ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, όπως τα μικροκύματα ή οι ακτίνες laser. Αυτές οι τεχνικές μπορούν να μεταφέρουν την ενέργεια σε μεγαλύτερες αποστάσεις, αλλά πρέπει να στοχεύουν στον δέκτη. Οι προτεινόμενες εφαρμογές για το συγκεκριμένο τύπο είναι οι δορυφόροι ηλιακής ενέργειας και τα ασύρματα drone αεροσκάφη.

Ένα σημαντικό ζήτημα που δημιουργείται με την χρήση των παραπάνω τεχνικών, είναι η έκθεση των ανθρώπων και των υπόλοιπων ζωντανών οργανισμών σε βλαβερά ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Κύριο ερώτημα είναι το πως θα περιοριστεί αυτή η έκθεση.

Η Έρευνα πίσω από τα U-TENG & W-TENG

Τον Μάρτιο του 2017, μία ομάδα Φυσικών του CNI εφηύρε μία πάρα πολύ απλή νανογεννήτρια ηλεκτρισμού τριβής, την οποία ονόμασαν U-TENG. Μια πολύ μικρή συσκευή που αποτελείται από πλαστικό και ταινία, που παράγει ηλεκτρισμό από τις κινήσεις και από τις δονήσεις.

Όταν τα δύο υλικά έρθουν σε επαφή, για παράδειγμα χειροκροτώντας ή χτυπώντας τα πόδια μας, δημιουργείται μία διαφορά δυναμικού, που ανιχνεύεται από ένα εξωτερικό κύκλωμα. Έπειτα η ηλεκτρική ενέργεια δια μέσου του εξωτερικού κυκλώματος, αποθηκεύεται σε ένα πυκνωτή ή μία μπαταρία.

Τώρα όμως, οι ερευνητική ομάδα δημοσίευσε ένα άρθρο στο Advanced Energy Materials, όπου αποκάλυψαν την ασύρματη έκδοση του TENG, που ονομάστηκε W-TENG.

Το W-TENG κατασκευάστηκε σύμφωνα με τις ίδιες αρχές που κατασκεύασαν το U-TENG: χρησιμοποιώντας υλικά που δρουν με αντίθετο τρόπο στην μετάδοση ηλεκτρονίων, έτσι ώστε να παράγουν μία διαφορά δυναμικού όταν έρθουν σε επαφή μεταξύ τους.

Για την κατασκευή του W-TENG αντικατέστησαν το πλαστικό με πολυμερής ίνες από γραφένιο και ένα βιοδιασπώμενο πολυμερές γνωστό ως πολυγαλακτικό οξύ ή πολυλακτίδιο (poly-lactic acid – PLA). Το δεύτερο μπορεί να διαχωρίζει τα θετικά και τα αρνητικά φορτία, αλλά δεν είναι καλός αγωγός του ηλεκτρισμού, το οποίο ήταν και ο λόγος που το συνδύασαν με το γραφένιο.
Από την άλλη, η ταινία Kapton tape, το υλικό του U-TENG που συλλέγει τα ηλεκτρόνια, αντικαταστάθηκε με το γνωστό Teflon, που γνωρίζουμε από τα αντικολλητικά σκεύη.

Όπως αναφέρει ο Ramakrishna Podila, συγγραφέας της έρευνας και αναπληρωτής καθηγητής Φυσικής στο Clemson, χρησιμοποίησαν Teflon επειδή έχει πολλές ομάδες φθορίου που είναι ηλεκτροαρνητικές, ενώ ο συνδυασμός γραφενίου-PLA είναι πολύ ηλεκτροθετικός.

Για να προμηθευτούν γραφένιο, η ομάδα κατέληξε να το παράγει. Εξέθεσαν τον γραφίτη σε υψηλής συχνότητας ηχητικά κύματα, τα οποία λειτουργούν σαν ένα “μαχαίρι” που κόβει τον γραφίτη, στρώση προς στρώση. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται sonication, και είναι η διαδικασία που ακολουθούν ώστε να παράγουν γραφένιο για τις ανάγκες κατασκευής και έρευνας του W-TENG (και άλλες εφευρέσεις).

Μετά την συναρμολόγηση της ίνας γραφενίου-PLA, οι ερευνητές συνέχισαν στην χρήση της 3D εκτύπωσης για να φτάσουν στο W-TENG.

Το τελικό αποτέλεσμα είναι μία συσκευή που παράγει ηλεκτρικό ρεύμα με μέγιστη τάση 3000 Volts, αρκετό να καλύψει ενεργειακά αρκετές συσκευές, ή αν μεταβούμε σε μεγαλύτερη κλίμακα, έξυπνο γυαλί ή οθόνη υγρών κρυστάλλων.
Επειδή η τάση είναι υψηλή, το W-TENG δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο γύρω του, που μπορεί να ανιχνευθεί από απόσταση – ασύρματα. Όπως και η ηλεκτρική ενέργεια του μπορεί να αποθηκευθεί ασύρματα.

Όπως αναφέρει ο Sai Sunil Mallineni, συγγραφέας του ερευνητικού άρθρου και διδακτορικός φοιτητής Φυσικής και Αστρονομίας, το W-TENG δεν μπορεί μόνο να παράγει ηλεκτρική ενέργεια, αλλά μπορεί να λειτουργήσει σαν τηλεχειριστήριο. Μπορεί να λειτουργήσει σαν ένα κουμπί, που πατώντας να ενεργοποιηθεί η πόρτα του γκαράζ ή το σύστημα ασφαλείας. Και όλο αυτό χωρίς να υπάρχει κάποια μπαταρία.

Οι εφαρμογές της ασύρματης συσκευής καλύπτουν ένα μεγάλο εύρος, και φυσικά σε καταστάσεις όπου οι πόροι είναι περιορισμένοι, όπως σε διαστημικά ταξίδια, στο μέσο του ωκεανού ή στο πεδίο της μάχης.

Βέβαια η εφεύρεση έχει και φιλανθρωπικές εφαρμογές. Στις αναπτυσσόμενες χώρες, αν και είναι απαραίτητη η χρήση ενέργειας, δεν είναι εύκολη η πρόσβαση σε μπαταρίες ή σε πρίζες. Όπως μας λέει ο Podila, το W-TENG μπορεί να είναι ένας από τους καλύτερους τρόπους παραγωγής ενέργειας σε αυτές τις περιοχές.

Η ερευνητική ομάδα βρίσκεται στην διαδικασία για την κατοχύρωση του W-TENG μέσω του Clemson University Research Foundation, και ο καθηγητής Apparao Rao, διευθυντής του Clemson Nanomaterials Institute βρίσκεται σε συνομιλίες με ανθρώπους της βιομηχανίας για την ενσωμάτωση της συσκευής σε ενεργειακές εφαρμογές.

Βέβαια πριν την μεταπήδηση του στον κόσμο της βιομηχανίας, ο Podila αναφέρει πως θα πρέπει να γίνει περισσότερη έρευνα για την αντικατάσταση του Teflon με ένα ηλεκτροαρνητικό υλικό που θα είναι πιο φιλικό στο περιβάλλον. Πιθανός αντικαταστάτης είναι το MΧene, που παρουσιάστηκε από τον Yongchang Dong, και αυτός διδακτορικός φοιτητής στο CNI, σε επιστημονικό άρθρο (MΧene-TENG) που δημοσιεύθηκε τον Νοέμβριο του 2017 στο Nano Energy.

Πηγή: www.geekd.gr