Hydrogel
طور العلماء في جامعة ولاية كارولينا الشمالية جهازاً مرناً ومطاطياً لتجميع الطاقة فقط من المواد اللينة المتوافقة حيوياً ، أي حركة ميكانيكية تشوه الجهاز ، مثل السحق ، والتمدد ، واللف:
المعدن السائل والبوليمرات اللينة المعروفة باسم الهلاميات المائية
إنها تنتج كميات صغيرة من الكهرباء مقارنة بتقنيات حصاد الطاقة الأخرى ، ويمكنها أيضاً العمل في الماء والهواء ، وفقاً لورقة الفريق المنشورة مؤخراً في مجلة Advanced Materials. يعتقد الفريق أن جهاز NCSU الجديد يبشر بالخير لتشغيل الأجهزة القابلة للإرتداء ، وشحنها تلقائياً دون الحاجة إلى مصدر طاقة خارجي.
قال المؤلف المشارك Michael Dickey ، وهو مهندس كيميائي وجزيئي في NCSU: "الطاقة الميكانيكية - مثل الطاقة الحركية للرياح والأمواج وحركة الجسم والاهتزازات من المحركات - متوفرة بكثرة" . لقد أنشأنا جهازاً يمكنه تحويل هذا النوع من الحركة الميكانيكية إلى كهرباء ، ومن سماته الرائعة أنه يعمل جيداً تحت الماء".
إستوحى علماء NCSU بشكل خاص من ورقة عام 2013 من قبل باحثين كوريين. وجد الباحثون في عام 2013 أنه يمكنهم حصد الطاقة من مكثف كهربائي مزدوج الطبقة (ELCD) عن طريق الضغط على صفيفات من قطرات الماء المحصورة بين قطبين كهربائيين صلبين ، وبالتالي شحن المكثف تلقائياً ، لكن ثبت أن الصلابة كانت عيباً ، حيث تم توليد الكهرباء فقط عن طريق تحريك القطب الصلب لأعلى ولأسفل. أراد Dickey وزملاؤه إنشاء نسخة مرنة من هذه التكنولوجيا.
ثبت أن المفتاح هو سبيكة معدنية سائلة من الغاليوم والإنديوم ، لكل Dickey ، ثم يتم تغليفها في هيدروجيل ماص للماء. تتجمع الأملاح الذائبة في الماء (الأيونات) على السطح المعدني ، وتشكل طبقة كهربائية مزدوجة تشبه المكثف. يؤدي تشويه المعدن السائل إلى زيادة المساحة ، وكلما زادت مساحة السطح ، زادت الشحنة المستحثة. عندما يتم توليد الكهرباء ، يمكن تسخيرها بواسطة سلك متصل.
قال Michael Dickey: "نظراً لأن الجهاز ناعم ، فإن أي حركة ميكانيكية يمكن أن تتسبب في تشوهه ، بما في ذلك السحق ، والتمدد ، واللف" . "هذا يجعلها متعددة الإستخدامات لحصاد الطاقة الميكانيكية. على سبيل المثال ، الهيدروجيل مرن بما يكفي لتمتد إلى خمسة أضعاف طوله الأصلي".
Dickey وآخرون . بعد ذلك ، إختبروا قدرات جمع الطاقة في أجهزتهم عن طريق تشويه أحد الأقطاب ومقارنة النتائج بالقطب الكهربي الآخر غير المشكل ، ووجدوا أن تشوهاً لا يتجاوز بضعة ملليمترات يمكن أن يولد كثافة طاقة تبلغ حوالي 0.5 ميجاوات من المتر المربع ، وهو ما يمكن مقارنته بأجهزة تجميع الطاقة الشائعة الأخرى.
لكن للجهاز ميزة واحدة كبيرة على منافسيه: هؤلاء المنافسون عادة لا يعملون بشكل جيد ، إن وجد ، في البيئات الرطبة. هذا يفتح المزيد من التطبيقات المحتملة ، وفقاً لـ Dickey ، بما في ذلك الطب الحيوي ، والملابس الرياضية ، والروبوتات اللينة ، والجلود الإلكترونية ، والإستخدامات في البيئات البحرية ، ومن السهل أيضاً تصنيع أجهزتهم بشكل ملحوظ في بضع خطوات بسيطة.
إستخدم باحثو NCSU تقنيتهم لإنشاء مستشعر قابل للمط يعمل بالطاقة الذاتية قادر على إستشعار حركة الإصبع ، وكتبوا أن "زيادة زاوية الإنحناء للإصبع تزيد من التشوه ، مما يؤدي إلى زيادة التيار". يمكن لجهاز الإستشعار أيضاً أن يجمع الطاقة من حركة الكوع والركبة أثناء المشي.
ومع ذلك ، هناك بعض المشكلات المحتملة
يميل الماء الموجود في الهيدروجيل إلى التبخر بمرور الوقت ، مما قد يؤثر على قابليته للتمدد ويغير توصيله. ومع ذلك ، يمكن تخفيف ذلك عن طريق دمج أملاح كلوريد الليثيوم في الجهاز. يميل الغاليوم أيضاً إلى التأكسد بمرور الوقت ، وقد لاحظ الباحثون إنخفاضاً في إمكانات الطاقة بعد عدة آلاف من الدورات. قد يؤدي هذا إلى مخرجات طاقة أقل على مدى فترة زمنية أطول. ولا يزال هناك بعض الطاقة المهدرة في تشوه الهيدروجيل ، حتى المواد الهلامية الأكثر ليونة يمكنها تحسين كفاءة تحويل الطاقة.
يعتبر جهاز NCSU الجديد في المقام الأول دليلاً على المفهوم ، وفقاً لـ Dickey وهم يبحثون أيضاً في كيفية تكييف تقنيتهم لتحصيل الطاقة من الرياح وأمواج المحيط ، ويعتقد هو وفريقه أنه يمكنهم إيجاد طريقة لزيادة كثافة طاقة أجهزتهم.
قد تكون إحدى طرق القيام بذلك عن طريق تقسيم المعدن إلى قطرات أصغر ، مما يؤدي بشكل أساسي إلى زيادة المساحة لحجم معين ، بدلاً من ذلك ، قد يقوم المرء بتمديد الجهاز مسبقاً ثم تركه يسترخي ، مما يؤدي إلى زيادة التيار الكهربائي (وبالتالي طاقة الذروة اللحظية). أو يمكن للمرء أن يشحن المكثفات مسبقاً لزيادة إنتاج الطاقة. أخيراً ، "من حيث المبدأ ، قد يستكشف المرء مواد أخرى ، مثل السوائل الأيونية أو إلكتروليتات البطارية لتوسيع إمكانات التشغيل" ، كما خلص المؤلفون.
