توليد طاقة كبيرة من حركات صغيرة.. حصاد الطاقة من الاحتكاك بين طبقات الألياف الدقيقة
استخدام الحركة البشرية لتشغيل ساعة ذكية أو إعادة شحن جهاز قابل للزرع مثل منظم ضربات القلب
منذ عهد الفراعنة وما تلاهم من حضارات، عرف الجنس البشري أنه إذا حدث تلامس بين شيئين، فستتولد كمية صغيرة من الكهرباء، أحد الأمثلة هو أنه يمكننا فرك بالون بشعرنا وتوليد ما يكفي من الكهرباء لإلصاقها بالسقف.
تم تطبيق نفس المبدأ على بحث جديد منشور في مجلة Small ، والذي اكتشف كيفية تصنيع توليد الطاقة الأمثل بين طبقات الألياف الدقيقة جدًا في المادة.
كل من هذه الألياف الدقيقة أرفع بحوالي 100 مرة من شعرة الإنسان، وهي تتكون من بوليمرات تقوم بتكرار سلاسل من نفس الوحدات، في هذه الحالة، استخدم الباحثون البوليمرات إيثيلين فينيل أسيتات – والتي من بين استخدامات أخرى تعطي أحذية الجري “نشاؤها” – وحمض متعدد حمض اللاكتيك – والذي يحدث أنه يأتي من نفس الحمض الذي يسبب تقلصات العضلات بعد التمرين.
تم التناوب بين نوعي الألياف المختلفين في طبقات بطريقة محددة للغاية، لصنع “رقائق”، تتكون هذه الشرائح من العديد من الطبقات المجهرية المكدسة، وتتكون كل رقعة من عشرات الآلاف من الألياف.
أينما كان هناك أي حركة حول طبقات الألياف، يتم توليد الكهرباء من الاحتكاك بين كل طبقة، وقاموا بتغيير حجم وملمس طبقات الألياف هذه وقمنا بترتيبها بطرق محددة للغاية لتحسين الاحتكاك والاتصال بالكهرباء، وفي النهاية توليد أقصى شحنة.
قال د. بيتر شيريل، والأستاذة أماندا إليس، جامعة ملبورن القائمون على البحث، إن البحث أظهر أنه باستخدام هذا الترتيب ، يمكن إنتاج حوالي 400 مرة من الكهرباء من الحركة أكثر مما كان ممكنًا في السابق من هذه المواد، نظرًا لأنه يمكننا دائمًا تقديم المزيد من الواجهات باستخدام ألياف أرق، فإن هذا النوع من توليد الطاقة قابل للتطوير بدرجة كبيرة.
يحتوي هذا على تطبيقات محتملة مثيرة، حيث يوجد الكثير من الحركة، ولكنه الآن على نطاق صغير جدًا – على سبيل المثال، استخدام الحركة البشرية لتشغيل ساعة ذكية أو إعادة شحن جهاز قابل للزرع مثل منظم ضربات القلب.
في مجال الطب الحيوي، هناك إمكانية لالتقاط الطاقة من تدفق الدم عبر الشريان أو الوريد للحفاظ على استمرار مضخة الأنسولين لفترة أطول على سبيل المثال.
هذه القدرة أيضًا قوية جدًا في منطقة الاستشعار، خاصةً إذا كانت هناك حاجة لقياس الاهتزازات الصغيرة جدًا من البيئة ، مثل مراقبة النشاط الزلزالي الطفيف أو التغيرات في تدفق المياه، أو لتشغيل أجهزة الاستشعار في المواقع البعيدة حيث لا الكثير من أشعة الشمس.
في هذه السيناريوهات، لا يمكنك استخدام الخلايا الشمسية أو استبدال البطارية بسهولة.
إن القدرة على حصاد الطاقة فقط من الاهتزازات في الأرض للحفاظ على عمل الإنترنت والبنية التحتية الحيوية الأخرى لها إمكانات كبيرة.
صنع شرائح
تم إجراء البحث بالتعاون مع البروفيسور أندريس سوتكا في جامعة ريجا التقنية في لاتفيا، باستخدام عملية تسمى الغزل الكهربائي لإنتاج ألياف البوليمر، من خلال ضبط أداة الغزل الكهربائي ، تمكنا من تعديل البوليمر الذي كنا نقوم بغزله ، وسمكه.
كان أحد التحديات في البحث هو الترتيب والتحكم في كيفية تفاعل طبقات البوليمر مع بعضها البعض.
من الصعب للغاية التحكم في كيفية اهتزاز كل ليف بالنسبة إلى الآخر ، وإذا أخطأت في الطلب ، فإن الكهرباء المولدة تلغى.
التحدي الآخر هو أن البوليمرات لينة جدًا ويمكن أن تتشوه بسهولة، لذلك، عندما نحاول النظر داخل المواد لتقييم الهيكل ، يمكن أن تذوب أو تنكسر، هذا يجعل توصيف المواد صعبًا وعملية إنشاء شرائح البوليمر الصغيرة هذه بطيئة جدًا.
حل حديث لمشكلة قديمة
على الرغم من هذه التحديات ، فقد قطعنا شوطًا طويلاً منذ فهم الإغريق القدماء لأول مرة للشحنة الكهربائية.
بحثنا على مدى السنوات الثلاث الماضية في البلاستيك وكيفية التحكم في الكيمياء للتأثير على الشحنة.
إنه تتويج لفهم جديد لكيفية شحن البلاستيك، والذي مكنته فيزياء الكم في القرن العشرين وتطوير الأجهزة التي تتيح لنا اكتشاف ما يحدث بدقة – حيث نحتاج إلى قياس التيارات الصغيرة جدًا في فترات زمنية دقيقة للغاية.
وأوضح د. بيتر شيريل، نبحث الآن عن طرق مختلفة يمكننا من خلالها استخدام الطاقة التي نولدها، أنتجت هذه الدراسة طاقة تزيد بمقدار 400 مرة عن أي وقت مضى، ولا تزال كمية صغيرة نسبيًا، لذا ستكون التطبيقات مختلفة عن خلية شمسية أو أنواع أخرى من توليد الكتلة للطاقة.
في الوقت الحالي، نظرنا فقط إلى نوعين من البلاستيك ، ولكن هناك المئات من البلاستيك الأخرى التي ستتيح لنا توليد المزيد من الطاقة.
من المرجح أن يتم استخدام الطاقة المولدة في مصدرها، لذلك لا يوجد فقدان لهذه الطاقة الصغيرة ولكن الثمينة في عملية النقل، هناك أيضًا تطبيقات محتملة في حصاد الطاقة الصوتية – حيث يمكنك جمع الطاقة من الأشخاص الذين يتحدثون والاهتزازات.
وذكر د. بيتر شيريل، الآن بعد أن علمنا أنه يمكننا استخدام هذه الألياف وطلبها لشحن، يمكننا عمل عوامل شكل مختلفة مثل البطانة المجوفة داخل الأنبوب، أو الحشو الذي يمكنه تسجيل مقدار الاهتزاز الذي تمر به الحزمة المشحونة، والبدء في هندسه لحل المشاكل المختلفة.
قد يكون لهذا تطبيقات إذا نظرنا إلى طلاء الأنابيب أو بناء أبراج لتسخير طاقة البنية التحتية، على سبيل المثال.
إن الإمكانات التحويلية لهذا الاكتشاف مثيرة، وإن كانت على بعد بضع سنوات حيث نتعلم المزيد حول كيفية تسخير الطاقة من الحركات الصغيرة لدعم التطورات الكبيرة.
