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Flexible Laken fangen Energie aus Bewegung ein
Forscher der Princeton University haben ein flexibles Material entwickelt, das bei Stress Rekordmengen an Energie gewinnt. Die Forscher sagen, dass das Material in die Schuhsohlen eingearbeitet werden könnte, um tragbare Elektronik mit Strom zu versorgen, oder sogar auf die Lunge eines Herzpatienten gelegt werden könnte, um einen Herzschrittmacher während der Atmung aufzuladen.
Lassen Sie Ihre Kraft fließen: Ein Princeton-Forscher hält ein Quadrat aus Silikon, in das ein Band aus kristallinem Material eingebettet ist, das beim Biegen einen elektrischen Strom erzeugt.
Der energiesammelnde Gummi bindet Bänder aus einem piezoelektrischen Material namens PZT zwischen Silikonstücken ein. Bei mechanischer Belastung erzeugt ein piezoelektrisches Material eine Spannung, die zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet werden kann; ein Strom kann auch wieder in mechanische Bewegung umgewandelt werden.
Das Gummimaterial kann 80 Prozent der beim Biegen aufgebrachten Energie nutzen – viermal mehr als bestehende flexible piezoelektrische Materialien.
Flexibilität könnte sich als entscheidend erweisen, wenn die Energy-Harvesting-Technologie erfolgreich sein soll. Zum Beispiel testete das Militär piezoelektrische Schuhe mit steifen Sohlen als Energiequelle, aber Soldaten klagten über Fußschmerzen. Und frühere flexible Energy Harvester – basierend auf piezoelektrischen Polymeren, Nanodrähten oder anderen Kristallarten – gaben wenig elektrischen Strom aus.
PZT ist das effizienteste bekannte piezoelektrische Material, aber aufgrund seiner kristallinen Struktur muss es bei hohen Temperaturen gezüchtet werden, die normalerweise ein flexibles Substrat schmelzen. Die Princeton-Forscher unter der Leitung des Maschinenbauprofessors Michael McAlpine , umging dies, indem PZT bei hohen Temperaturen hergestellt und dann dünne Bänder des Materials auf Silikon übertragen wurden.
Zunächst behandeln die Forscher das PZT mit einem chemischen Ätzbad, das ein dünnes Band von der Oberfläche des Kristalls entfernt. Dann nehmen sie das Band mit einem Polymerstempel auf und legen es auf eine Silikonfolie, bevor es mit einem zweiten Stück Silikon bedeckt und versiegelt wird. Alle Prozesse, mit denen wir flexible PZT-Bänder herstellen, sind extrem einfach und unkompliziert, sagt McAlpine. Entscheidend ist, dass die Forscher herausgefunden haben, dass der Prozess die Energieumwandlungseffizienz von PZT nicht beeinträchtigt.
Proof-of-Concept-Tests, die diese Woche im Journal beschrieben wurden Nano-Buchstaben zeigen, dass die gummiummantelten PZT-Bänder ihre hohe Leistungsumwandlungseffizienz beibehalten. McAlpine sagt, dass der einfache Druckprozess leicht auf größere Blätter skaliert werden sollte; er hat das Verfahren zum Patent angemeldet.
McAlpine konzentriert sich besonders auf biomedizinische Anwendungen des Materials und sagt, dass es die Anzahl der Operationen reduzieren könnte, denen Patienten mit Implantaten unterzogen werden müssen. Zum Beispiel könnten Ärzte während der ersten Operation eine stromerzeugende Platte an die Lunge legen; die ständige Bewegung der Organe könnte helfen, eine Batterie wieder aufzuladen, sagt McAlpine.
Jim Grotberg , Professor für Chirurgie und Biomedizintechnik an der University of Michigan, sagt, dass drahtlose Überwachung und Medikamentenabgabe für Patienten mit chronischen medizinischen Problemen weitere potenzielle Anwendungen sind. Wenn Sie einen Sensor haben, der Herzfrequenz, Gehirnaktivität oder Blutdruck überwacht, oder ein implantierbares Insulininjektionssystem, brauchen Sie eine Batterie, sagt er.
PZT selbst ist nicht biokompatibel – das p kommt vom chemischen Symbol für Blei, einer seiner Bestandteile zusammen mit Zirkonium und Titan. Die Kristallbänder sind jedoch vollständig in Silikon gekapselt, ein Material, das von der US-amerikanischen Food and Drug Administration für medizinische Implantate zugelassen ist.
Auch Tierversuche sind noch in weiter Ferne. Doch die Princeton-Forscher bauen jetzt Prototypen aus den Platten, um zu testen, wie viel Strom sie erzeugen können, wenn sie in Schuhe eingebaut werden.