Fyzici se už řadu let pokoušejí vymyslet nový způsob, jak přeměnit přírodní zdroje mechanické energie na energii elektrickou. Posun v tomto směru nedávno učinili američtí fyzici a jejich kolegové z Jižní Koreje. Zjistili, že elektrickou energii lze v malém měřítku generovat kroucením vláken, která jsou vyrobená z uhlíkových nanotrubic a jsou v kontaktu s elektrolytem. Nový prvek nazvaný „twistron“ by mohl čerpat energii z oceánského vlnění a také z lidského pohybu.
Pro přeměnu mechanické energie na energii elektrickou se obvykle využívá generátorů a principu elektromagnetické indukce, kdy proud vzniká pohybem vodiče v magnetickém poli. Pokud má generátor velké rozměry, je schopen dosahovat vysokých účinností, problém však nastává u malých zařízení. Ty je obtížné sestrojit a jejich účinnost klesá. Právě proto teď vědci navrhli novou součástku, kterou nazvali twistron. Nový prvek generuje více energie na jednotku hmotnosti než předcházející velmi výkonné zdroje. Pracuje na frekvencích od jednoho do několika desítek hertzů, které zahrnují řadu pohybů dopředu a dozadu nebo nahoru a dolů, a vyskytují v přírodě a v našem okolí. Příkladem může být třeba lidská chůze nebo dýchání.
Uhlíkové nanotrubice jsou podlouhlé útvary, jejichž stěny tvoří jedna vrstva atomů uhlíku. Jejich průměr se pohybuje od jednoho až do 100 nanometrů a délka je do 100 mikrometrů. Twistron se dá zhotovit zkroucením několika miliard takových uhlíkových nanotrubic do pevného vlákna o průměru několika desítek nebo stovek mikrometrů, které je obklopeno elektrolytem. Voda v elektrolytu, kterým je vlákno obklopeno, vytváří velmi tenkou bariéru mezi elektrony na povrchu svazku a ionty v elektrolytu, čímž se vytváří kondenzátor, který nepotřebuje externí nabíjení. Kroucením vlákna se přibližují náboje na jeho povrchu blíž k sobě, a tím se snižuje kapacita prvku a zvyšuje se napětí v připojeném elektrickém obvodu. V důsledku toho obvodem protéká proud.
Fyzici z Dallasu navrhli twistron tak, že se vlákno kroutí a současně natahuje, takže energie z většiny externích zdrojů pohybu se dá lépe využít, a to prostřednictvím tažné síly. Proto se při výrobě vlákno co nejvíce zkroutí, až vytvoří závit. Na základě experimentů vědci zjistili, že twistrony mohou na každý kilogram vlákna generovat kolem 250 W špičkového elektrického výkonu.
Twistron o hmotnosti 35 mg – což je zhruba tolik, kolik dohromady váží dvě mouchy domácí – je schopen napájet elektroluminiscenční diodu a vědci předpokládají, že tento výkon by mohl stačit i k přenosu radiofrekvenčního signálu. Ten pravidelně každých deset sekund přenáší 2 kB informací na vzdálenost 100 m. Nový prvek by také mohl sloužit k napájení čidel v bezdrátově propojené síti známé jako „Internet of Things“ (internet věcí).
Tým přišel také s nápadem využít twistrony k napájení umělých svalů. Twistrony by byly pokryty elektrolytem ve formě gelu a mohly by být připojeny k umělým svalům vyrobeným z polymerů. Tyto svaly se stahují a roztahují v závislosti na teplotních fluktuacích v okolí, takže nevyžadují instalaci ani výměnu baterií ve vzdálených čidlech. Svaly přitom reagují i na změny teplot o pouhých několik stupňů Celsia, pokud jsou dostatečně dlouhé.
Twistrony by podle vědců mohly napájet mobilní senzory, případně by je bylo možné zabudovat do oblečení, kde by využívaly energie zvedání a klesání hrudníku a napájely monitor srdeční činnosti.
Další možnou aplikací je generování elektrického proudu využitím vlnění oceánů, kdy by mořská voda působila jako elektrolyt, a tak by vlákno nebylo potřeba ničím pokrývat. Fyzici z Texasu tuto možnost prověřili tak, že na pobřeží umístili 10 cm dlouhý twistron o hmotnosti 1 mg, dolní konec připevnili k závaží na mořském dně a horní konec k balonku na hladině vody. Pohyb balonku nahoru a dolů natáhl twistron o čtvrtinu a průměrný generovaný výkon byl 1,8 mikrowattu.
Stejně jako většina jiných technologických novinek, také twistron se potýká s počátečními problémy. Prvním je jeho nízká účinnost. Twistrony mění v průměru pouze 1 % mechanické energie na energii elektrickou. Přitom jejich konkurenti, zařízení založená na triboelektrickém jevu (jev, při kterém určité materiály získávají elektrický náboj poté, co přijdou do kontaktu s jiným materiálem, jde tedy v podstatě o tření), zvládnou přeměnit až 10 %. Na odstranění tohoto problému však fyzici už s úspěchem pracují. Komplikovanější bude nejspíš sama výroba twistronů, která je zatím velmi drahá.
Původní práce byla uveřejněna v Science.
Mohlo by vás zajímat:
Fotony
pro telekomunikace
Spintronické
neurony rozeznávají řeč
Fyzici
rozvinuli herkulánské svitky
Mravenčí
fyzika