جدیدالیافهایی با قابلیت تولید انرژی الکتریکی از امواج آب دریا و حرکت بدن انسان!! No batteries required: Energy-harvesting yarns generate electricity
انرژی الکتریکی
الیاف‌هایی با قابلیت تولید انرژی الکتریکی از امواج آب دریا و حرکت بدن انسان!!
No batteries required: Energy-harvesting yarns generate electricity
دانشمندان، الیاف‌هایی را توسعه داده‌اند که در اثر کشیده شدن، انرژی الکتریکی تولید می‌کنند. الیاف‌های “Twistorn” کاربردهای بسیاری مانند ایجاد انرژی از حرکت امواج دریا یا نوسانات دمایی، خواهند داشت.
——————————————————–
ترجمه از گروه ترجمه ایران مواد
حرفه ای ترین تیم ترجمه مهندسی مواد کشور
———————————————————
یک گروه پژوهش بین‌المللی در دانشگاه Texas و دانشگاه Hanyang در کره‌ی جنوبی، الیاف‌های تکنولوژی بالایی را توسعه بخشیده‌اند که در اثر کشیده شدن، انرژی الکتریکی تولید می‌کند.
دکتر Carter Hains دانشیار انستیتوی Alan G. MacDiarmid NanoTech و نویسنده‌ی اصلی مقاله‌ی این پژوهش در این‌باره می‌گوید: “سادهترین راه برای درک این الیاف‌های تولید‌کننده‌ی انرژی، این است که شما تصور کنید ریسمانی دارید که آن را می‌کشید و از آن الکتریسیته خارج می‌شود.”
الیاف‌های بر پایه‌ی نانوتکنولوژی
این الیاف‌ها ار نانوکربن‌های توخالی با قطر ۱۰۰۰۰ برابر کوچکتر از ضخامت یک تار موی انسان، ساخته شده‌اند. محققین در ابتدا برای ایجاد این الیاف استحکام بالا و در عین حال سبک، نانوتیوب‌های کربن را پیچانده و در هم تنیده‌اتد. برای دستیابی به الاستیسیته‌ی بالا، عمل تاباندن و پیچاندن الیاف بسیار بسیار شدید صورت گرفته است.
به منظور تولید الکتریسیته، الیاف بایستی با یک ماده با هدایت یونی یا الکترولیت پوشانده شود که به سادگی و با انحلال سنگ نمک در آب، این حمام الکترولیت تهیه می‌شود.
به گفته‌ی دکتر Na Li یکی از محققین انستیتوی Nano Tech، “اساسا این الیاف، یک ابرخازن می‌باشد. در یک خازن معمولی شما از یک منبع انرژی مانند باتری استفاده می‌کنید تا خازن را شارژ کنید. اما در این مورد، زمانی که شما الیاف نانوتیوب‌های کربن را در یک حمام الکترولیت قرار دهید، خازن شارژ می‌شود. هیچ باتری یا ولتاژ خارجی نیاز نمی‌باشد.”
Hains اظهار کرده است که: “با تاباندن یا کشیدن این الیاف، حجم نانوتیوب‌های کربن کاهش یافته و بارهای الکتریکی روی الیاف به هم نزدیک‌تر شده و در نتیجه، انرژی آن‌ها افزایش می‌یابد. این امر منجر به افزایش ولتاژ مربوط به بار ذخیره شده در الیاف شده و ایجاد الکتریسیسته را ممکن می‌سازد.”
دکتر Ray Baughman رئیس انستیتوی Nano Tech اظهار کرده است که: “با ۳۰ بار کشیدن این الیاف در ثانیه، به ازای هر کیلوگرم از این الیاف، ۲۵۰ وات برق تولید می‌شود.”
آزمون‌های آزمایشگاهی پتانسیل‌های کاربردی این الیاف را نشان می‌دهد!
پژوهشگران در آزمایشگاه نشان دادند که مقداری از این الیاف با وزن کم‌تر از یک مگس، می‌تواند برق یک LED کوچک را تامین کند، به این صورت که با هر بار کشیده شدن الیاف، LED روشن می‌شود.
با متصل کردن یک ماهیچه‌ی مصنوعی پلیمری به الیاف، نشان داده شد که در منقبض و منبسط شدن پلیمر با دما، الیاف کشیده شده و انرژی الکتریکی تولید می‌کند.
محققین از این الیاف تی‌شرت‌هایی نیز بافتند و نشان دادند که باکشیده شدن الیاف در اثر تنفس بدن، سیگنال‌های الکتریکی تولید می‌شوند که پتانسیل آن برای استفاده به عنوان حسگر تنفس با تامین انرژی از خود، می‌باشد.
Baughman گفت: “پارچه‌های الکتریکی بسیار جذاب و مورد توجه بوده است، اما چگونه می‌خواهید برق آن را تامین کنید؟ برداشت انرژی الکتریکی از حرکت انسان، یکی از راهکارها برای حذف باتری‌ها می‌باشد. الیاف ما با کشیده شدن، ۱۰۰ برابر دیگر الیاف‌های دارای این خاصیت که تا کنون مطرح شده‌اند، انرژی تولید می‌کند.”
انرژی الکتریکی از آب اقیانوس
Baughman گفت: “ما در آزمایشگاه نشان دادیم که الیاف دروکننده‌ی ما با استفاده از یک سنگ نمک به عنوان الکترولیت، عمل می‌کند. اما ما به دنبال این بوده‌ایم که نشان دهیم که این الیاف در آب اقیانوس به درستی عمل خواهد کرد، که امری پیچیده‌تر می‌باشد.”
دکتر Shi Kim پژوهشگر انستیتوی Nano Tech، ۱۰ سانتی‌متر از این الیاف که وزنی برابر ۱ میلی گرم دارد را با استفاده از یک بالن روی آب دریا در کره‌ی جنوبی شناور کرده و مشاهده شده است که با هر موج دریا که بالن بلند می‌شود، الیاف به اندازه‌ی ۲۵ درصد کشیده شده و برق تولید می‌کند.
دکتر Baughman در پایان افزوده است که: اگر الیاف Twistorn را بتوانیم ارزان‌تر تولید کنیم، امکان تولید میزان بسیار زیادی برق از آب دریا فراهم می‌شود. با این، در حال حاضر این الیاف برای برق‌دهی سنسورها بسیار مناسب می‌باشد. بر اساس میانگین برق خروجی این الیاف، تنها ۳۱ میلی‌گرم از الیاف نانوتیوب‌های کربن می‌تواند انرژی الکتریکی لازم برای انتقال ۲ کیلو بایت داده در شعاع ۱۰۰ متری را فراهم سازد.”
منبع: www.sciencedaily.com
مترجم : امیر اشجاری
No batteries required: Energy-harvesting yarns generate electricity
Scientists have developed high-tech yarns that generate electricity when they are stretched or twisted. ‘Twistron’ yarns have many possible applications, such as harvesting energy from the motion of ocean waves or from temperature fluctuations.
An international research team led by scientists at The University of Texas at Dallas and Hanyang University in South Korea has developed high-tech yarns that generate electricity when they are stretched or twisted.
In a study published in the Aug. 25 issue of the journal Science, researchers describe “twistron” yarns and their possible applications, such as harvesting energy from the motion of ocean waves or from temperature fluctuations. When sewn into a shirt, these yarns served as a self-powered breathing monitor.
“The easiest way to think of twistron harvesters is, you have a piece of yarn, you stretch it, and out comes electricity,” said Dr. Carter Haines, associate research professor in the Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute at UT Dallas and co-lead author of the article. The article also includes researchers from South Korea, Virginia Tech, Wright-Patterson Air Force Base and China.
Yarns Based on Nanotechnology
The yarns are constructed from carbon nanotubes, which are hollow cylinders of carbon 10,000 times smaller in diameter than a human hair. The researchers first twist-spun the nanotubes into high-strength, lightweight yarns. To make the yarns highly elastic, they introduced so much twist that the yarns coiled like an over-twisted rubber band.
In order to generate electricity, the yarns must be either submerged in or coated with an ionically conducting material, or electrolyte, which can be as simple as a mixture of ordinary table salt and water.
“Fundamentally, these yarns are supercapacitors,” said Dr. Na Li, a research scientist at the NanoTech Institute and co-lead author of the study. “In a normal capacitor, you use energy — like from a battery — to add charges to the capacitor. But in our case, when you insert the carbon nanotube yarn into an electrolyte bath, the yarns are charged by the electrolyte itself. No external battery, or voltage, is needed.”
When a harvester yarn is twisted or stretched, the volume of the carbon nanotube yarn decreases, bringing the electric charges on the yarn closer together and increasing their energy, Haines said. This increases the voltage associated with the charge stored in the yarn, enabling the harvesting of electricity.
Stretching the coiled twistron yarns 30 times a second generated 250 watts per kilogram of peak electrical power when normalized to the harvester’s weight, said Dr. Ray Baughman, director of the NanoTech Institute and a corresponding author of the study.
“Although numerous alternative harvesters have been investigated for many decades, no other reported harvester provides such high electrical power or energy output per cycle as ours for stretching rates between a few cycles per second and 600 cycles per second.”
Lab Tests Show Potential Applications
In the lab, the researchers showed that a twistron yarn weighing less than a housefly could power a small LED, which lit up each time the yarn was stretched.
To show that twistrons can harvest waste thermal energy from the environment, Li connected a twistron yarn to a polymer artificial muscle that contracts and expands when heated and cooled. The twistron harvester converted the mechanical energy generated by the polymer muscle to electrical energy.
“There is a lot of interest in using waste energy to power the Internet of Things, such as arrays of distributed sensors,” Li said. “Twistron technology might be exploited for such applications where changing batteries is impractical.”
The researchers also sewed twistron harvesters into a shirt. Normal breathing stretched the yarn and generated an electrical signal, demonstrating its potential as a self-powered respiration sensor.
“Electronic textiles are of major commercial interest, but how are you going to power them?” Baughman said. “Harvesting electrical energy from human motion is one strategy for eliminating the need for batteries. Our yarns produced over a hundred times higher electrical power per weight when stretched compared to other weavable fibers reported in the literature.”
Electricity from Ocean Waves
“In the lab we showed that our energy harvesters worked using a solution of table salt as the electrolyte,” said Baughman, who holds the Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry in the School of Natural Sciences and Mathematics. “But we wanted to show that they would also work in ocean water, which is chemically more complex.”
In a proof-of-concept demonstration, co-lead author Dr. Shi Hyeong Kim, a postdoctoral researcher at the NanoTech Institute, waded into the frigid surf off the east coast of South Korea to deploy a coiled twistron in the sea. He attached a 10 centimeter-long yarn, weighing only 1 milligram (about the weight of a mosquito), between a balloon and a sinker that rested on the seabed.
Every time an ocean wave arrived, the balloon would rise, stretching the yarn up to 25 percent, thereby generating measured electricity.
Even though the investigators used very small amounts of twistron yarn in the current study, they have shown that harvester performance is scalable, both by increasing twistron diameter and by operating many yarns in parallel.
“If our twistron harvesters could be made less expensively, they might ultimately be able to harvest the enormous amount of energy available from ocean waves,” Baughman said. “However, at present these harvesters are most suitable for powering sensors and sensor communications. Based on demonstrated average power output, just 31 milligrams of carbon nanotube yarn harvester could provide the electrical energy needed to transmit a 2-kilobyte packet of data over a 100-meter radius every 10 seconds for the Internet of Things.”
دیدگاه کاربران