الجيل الثاني من الألياف القابلة للارتداء.. تعمل بالبطاريات والطاقة الشمسية.. يمكن استخلاص طاقة كهربائية وتخزينها من ملابسك

يمكن لهذه الألياف تشغيل الإلكترونيات القابلة للارتداء عالية الأداء والتي تتنفس وتتمدد وتغسل تمامًا مثل المنسوجات التقليدية.

إن هذا التطور في مصادر طاقة الألياف، مثل البطاريات التي يقل سمكها عن المليمتر والخيوط الكهروضوئية التي يمكن نسجها مباشرة في الأقمشة، يفتح عالمًا جديدًا من الإلكترونيات القابلة للارتداء والمنسوجات الذكية.

فبدلاً من حمل جهاز مراقبة القلب المزود ببطاريات ضخمة، يمكن للمريض ارتداء قميص يحتوي على ألياف تعمل بالبطارية والطاقة الشمسية. يمكن تسخين الملابس التي تعمل بالألياف لإبقاء الشخص دافئًا في البيئات الباردة، أو ربطها بألياف تعمل بالبطارية والطاقة الشمسية لتزويد الجنود بتسجيل صوتي وفيديو بدون استخدام اليدين في الميدان.

قال كونستانتينوس جيراسوبولوس، مساعد مدير برنامج الفيزياء والمواد والأجهزة الإلكترونية في APL والباحث الرئيسي في هذا المشروع: “مع تغير الطلب على المنسوجات الإلكترونية، هناك حاجة إلى مصادر طاقة أصغر قابلة لإعادة الاستخدام ومتينة وقابلة للتمدد”.

“رؤيتنا هي تطوير ألياف تجميع الطاقة الشمسية التي يمكنها تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء وألياف البطارية التي يمكنها تخزين الكهرباء المولدة في النسيج.”

تمتد الحدود

لقد أدى التصنيع والتصميم إلى الحد من قابلية التوسع وأداء بطاريات الألياف. تم استخدام معدات النسيج الصناعية لتصنيع بطاريات الألياف، لكن نطاقها الهائل يحد من استخدامها في المنشآت المتخصصة التي لا تتوافق مع صناعة البطاريات. تعاني بطاريات الألياف القياسية أيضًا من انخفاض الأداء لأن الأقطاب الكهربائية عادة ما تكون ملتوية معًا، مما يجعل معظم سطح القطب غير نشط.

الآن، في دراسة نشرت في Advanced Materials Technologies ، أظهر علماء APL طريقة جديدة لتوسيع نطاق تصنيع بطاريات الألياف.

وبدلاً من استخدام معدات النسيج، قام فريق APL بتخصيص معدات البطاريات لتحقيق النحافة المطلوبة لبطاريات الألياف. هذه الإستراتيجية، بما في ذلك إنشاء إعدادات مخصصة للفة إلى اللفة، جعلت العملية محمولة ومناسبة للإنتاج على نطاق واسع. جميع المعدات اللازمة لإنشاء بطاريات الألياف يمكن وضعها في غرفة صغيرة.

يوفر طاقة وأداء أقوى من بطاريات الألياف القياسية

وقالت راشيل ألتماير، المؤلفة الرئيسية للورقة البحثية: “كنا نصمم دائمًا مع وضع التوافق في الاعتبار”. “نحن بحاجة إلى أن نكون قادرين على تشغيل جميع عملياتنا بشكل مستمر وإلا فإن ما نقوم بتطويره لن يكون ذا صلة. يمكن إسقاط هذه العملية في خط التصنيع الحالي.”

تتكون البطاريات من شرائح مسطحة من أقطاب الأنود والكاثود، وفاصل بوليمر يتم تغذيته معًا في مكبس ملفوف ساخن وتصفيحه في تصميم مكدس. يشبه البناء هيكل خلايا الأكياس التقليدية – فكر في بطاريات الهاتف الخلوي – ويوفر طاقة وأداء أقوى من بطاريات الألياف القياسية. يتم بعد ذلك قطع الكومة بالليزر إلى خيط يشبه الألياف يبلغ عرضه حوالي 700 ميكرومتر، أي ما يعادل عرض خمسة شعرات بشرية تقريبًا.

يمثل هذا أول استخدام للقطع بالليزر على مجموعة بطارية كاملة ويوضح جدوى الطريقة لتخصيص حجم البطارية والحفاظ على الأداء. كما أن سرعة نظام القطع تجعله قابلاً للتطوير.

وقال جيسون تيفاني، مهندس في APL ومؤلف مشارك في الورقة: “يمكننا معالجة 100 متر من إجمالي الألياف في ما يزيد قليلاً عن خمس ساعات”. “من خلال عمليتنا، يمكننا أن نجعل الألياف أصغر وأكثر كثافة في استخدام الطاقة، مما قد يفتح المزيد من الفرص لتطبيقات النسيج.”

يضيف عمل بطارية الألياف إلى مجموعة الأدوات التكنولوجية للفريق، والتي تضمنت تطوير بطارية ليثيوم أيون مرنة يمكنها العمل في ظل الظروف القاسية، بالإضافة إلى بطاريات آمنة وسريعة الشحن.

ألياف قابلة للتطوير وعالية الأداء يمكنها حصاد الضوء وتحويله إلى كهرباء

وفي ورقة بحثية ثانية نُشرت أيضًا في مجلة Advanced Functional Materials ، تناول فريق APL أيضًا التحدي المتمثل في صنع ألياف قابلة للتطوير وعالية الأداء يمكنها حصاد الضوء وتحويله إلى كهرباء.

وقال جيراسوبولوس: “تمامًا كما هو الحال مع ألياف البطارية، استلهمنا تقنية الخلايا الشمسية التقليدية التي تتسم بالكفاءة والقوة للغاية”. “لقد تساءلنا كيف يمكننا تحويل مصادر الطاقة هذه إلى ألياف؟”

وقال مايكل جين، المؤلف الرئيسي لورقة الخلايا الشمسية: “إن التحدي الأكبر الذي تواجهه تكنولوجيا الخلايا الشمسية الحالية هو صلابتها”، “يمكنك أن تتخيل أن تقليص الألواح الشمسية، مثل تلك الموجودة على الأسطح، إلى ألياف شمسية صغيرة يعد أمرًا صعبًا للغاية.”

للتغلب على هذا التحدي، استخدم الفريق نوعًا معينًا من الخلايا الشمسية التي تحتوي على أطراف موجبة وسالبة على الجانب الخلفي في نمط يشبه الإصبع. بدءًا من هذه الخلية، قام الباحثون بقطع وتجميع خلايا شمسية صغيرة على لوحات دوائر رفيعة ومرنة قبل إغلاقها في بوليمر وقائي لإنشاء حبلا يشبه الألياف، الخلايا الشمسية صغيرة جدًا بحيث يمكن وضعها بين حواف بصمات الأصابع.

وقال جين: “لقد استخدمنا عمليات تصنيع الإلكترونيات الدقيقة القياسية لتطوير نهج جديد حول تكنولوجيا الخلايا الشمسية الصلبة الحالية إلى ألياف مرنة ومتينة”، “حتى بعد ثني الألياف 8000 مرة، لم نلاحظ أي تغيير في أدائها.”

إنشاء مصادر الطاقة الأكثر فعالية ومرونة ومتطورة

لمزيد من اختبار قوة هذه الألياف، قام الفريق بتعريضها باستمرار للضوء في المختبر، لمحاكاة إجمالي ساعات ضوء الشمس التي يتعرض لها مطار واشنطن دالاس الدولي في شهر ربيعي نموذجي. ومع ذلك، ظلت كفاءة الألياف دون تغيير.

ولإثبات صحة المفهوم، استخدم الباحثون نولًا صغيرًا مصممًا خصيصًا لنسج ألياف النايلون والخلايا الشمسية في نسيج صغير. تم وضع مجموعة الألياف تحت مصباح وتم توصيلها بلوحة دائرة صغيرة ووميض LED، وفي غضون ثوانٍ، قام الشريط بتشغيل الضوء الأحمر الوامض.

إن الطريقة المستخدمة لتجميع الخلايا الشمسية وتغليفها على ركائز الألياف قابلة للتوسيع أيضًا إلى مصادر أخرى.

وبدلاً من الخلايا الشمسية، يمكن أن تكون أجهزة استشعار أو مصابيح LED أو بطاريات مثبتة على سطح الألياف المرنة، والتي يمكن أن تولد العديد من الوظائف.

وقال جيف مارانشي، مدير منطقة برنامج الأبحاث في قسم الأبحاث والتطوير الاستكشافي في APL: “يواصل فريقنا البحث عن طرق لإنشاء مصادر الطاقة الأكثر فعالية ومرونة ومتطورة”،”يمكن للمنسوجات التي تدمج حصاد الطاقة الضوئية وألياف البطاريات أن تحدث ثورة فيما يمكن أن تحققه الأجهزة القابلة للارتداء اليوم. وقريبًا جدًا، ستمكن هذه الألياف من توزيع الطاقة القائمة على النسيج والتدفئة والاتصالات والاستشعار مع توفير الراحة والسهولة التي توفرها المنسوجات العادية.”