Diese Stiefel wurden zur Stromerzeugung hergestellt

James Wimshurst war ein Ingenieur und Erfinder des 19. Jahrhunderts, der eine faszinierende Maschine zur Erzeugung von Hochspannungen entwickelte. Die Maschine, die heute seinen Namen trägt, besteht aus zwei gegenläufig rotierenden Scheiben, die mit Metallpatches versehen sind.





Die Scheiben stehen in Kontakt mit zwei Metallbürsten, die mit einem Paar Metallkugeln verbunden sind, die durch einen kleinen Spalt getrennt sind. Die Bürsten nehmen Ladung von den Scheiben auf, die sich auf den Kugeln aufbaut, so dass schließlich ein Funke über den Spalt zwischen ihnen springt. Der Mechanismus, der die Kugeln auflädt, ist elektrische Induktion, die jede kleine Ladung auf den Metallflecken verstärkt.

Im 19. und frühen 20. Jahrhundert verwendeten Physiker und Ingenieure Wimshurst-Maschinen und ähnliche Geräte, um Röntgengeräte und sogar Teilchenbeschleuniger anzutreiben. Aber heute sind diese Maschinen selten und werden nur in Wissenschaftsmuseen und Klassenzimmern verwendet, um die Prinzipien der Elektrostatik zu demonstrieren.

Heute könnte sich das dank der Arbeit von Maria Napoli und Kollegen an der University of California, Santa Barbara, ändern, die die Wimshurst-Maschine für das 21. Jahrhundert neu erfunden haben. Diese Leute haben eine mikrofluidische Version entwickelt, die Energie aus der Umgebung gewinnen und in nutzbare Energie umwandeln kann.



In dem neuen Gerät fließen Quecksilbertröpfchen in Öl durch einen Kanal, der in eine Folie aus PDMS-Kunststoff (Polydimethylsiloxan) geschnitzt ist. Der Kanal führt die Quecksilbertröpfchen in entgegengesetzten Richtungen aneinander vorbei, genau wie die gegenläufig rotierenden Scheiben in einer herkömmlichen Wimshurst-Maschine.

Elektroden, die in den mikrofluidischen Kanal eingebettet sind, tragen Ladung ab, während sie sich aufbaut. Aber anstatt Funken zu erzeugen, kann diese Ladung als Energie verwendet werden. Napoli und Co. berechnen, dass ein zentimetergroßer Schaltkreis mit Kanälen von nur 300 Mikrometern Breite und Quecksilbertropfen, die mit einer Geschwindigkeit von 10 Millimetern pro Sekunde fließen, etwa 12 Mikrowatt Leistung erzeugen könnte.

Das Team hat ein Proof-of-Principle-Gerät gebaut, um die Idee zu testen. Die mikrofluidische Wimshurst-Maschine besteht aus einem nur fünf Zentimeter langen Hauptkanal, der wenige Kubikmillimeter Quecksilber enthält. Es erzeugt einen kleinen Bruchteil der theoretischen Maximalleistung – nur vier Nanowatt.



Doch das schreckt das Team nicht ab. Die Mikrofluidik ermöglicht eine Reihe von Verbesserungen, die mit Festkörpergeräten nicht möglich sind, wie z. B. die Änderung der Breite und Trennung der Kanäle und eine bessere Kontrolle der Tröpfchengröße und -verteilung.

Berechnungen zeigen, dass einfache Verbesserungen der Geometrie in der Lage sein sollten, die Ausgangsleistung eines Einkanalgeräts um bis zu drei Größenordnungen zu erhöhen, sagen sie.

Außerdem können mehrere Kanäle problemlos in Reihe oder parallel geschaltet werden, um noch mehr Leistung zu erzeugen. Und ein großer Vorteil dieser Art von mikrofluidischen Geräten gegenüber anderen Energy Harvestern ist, dass sie nicht mit einer Resonanzfrequenz laufen müssen.



Napoli und Co. untersuchen die potenzielle Leistung dieser Art von Gerät, das von einer Membranpumpe im Absatz eines Stiefels angetrieben wird. Angenommen, eine Person kann mit einer Geschwindigkeit von einem Schritt pro Sekunde gehen, könnte eine Pumpe mit einem Durchmesser von zwei Zentimetern genug Durchfluss für 250 parallele mikrofluidische Kanäle liefern, die zusammen eine Leistung von etwa 10 Milliwatt erzeugen würden, sagen Napoli und Co.

Das ist ungefähr genug, um den Laser in einem DVD-Laufwerk mit Strom zu versorgen, und eine vielversprechende Menge für verschiedene Niedrigenergie-Kommunikationsgeräte und Sensoren, die derzeit entwickelt werden.

Es gibt daher guten Grund zu der Annahme, dass eine vergrößerte Version unseres Prototyps tragbar, praktisch und ausreichend leistungsstark für eine Vielzahl von Energy-Harvesting-Anwendungen sein könnte, schließen sie.



Natürlich stehen Herausforderungen bevor. Angesichts der Stöße, denen Stiefel im Laufe ihres Lebens ausgesetzt sind, stellt sich die Frage nach der Haltbarkeit eines solchen Geräts. Aber das ist eine Entwicklungsfrage, an der das Team arbeiten kann.

Vielleicht wird es nicht lange dauern, bis der beste Weg, ein Telefon aufzuladen, darin besteht, ein Paar Pumpen anzuziehen und loszulaufen. Wimshurst würde sicher staunen.

Ref: arxiv.org/abs/1803.02454 : Energy Harvesting mit einer Flüssigmetall-Mikrofluidik-Beeinflussungsmaschine

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