Несмотря на то, что некоторые области научно-практической деятельности характеризуются достаточной консервативностью, постепенно в них тоже назревают перемены, и речь пойдёт об одной из самых консервативных областей — генераторах электроэнергии.
Многие знают, что мы, по большому счёту, пользуемся разработками, начало которым было положено учёными ещё в 1800-х годах, и которые, с некоторыми итерационными изменениями, дожили и до наших лет.
Тем не менее, в последнее время наблюдается интересная тенденция — и если в прежние годы научная мысль была больше направлена на создание промышленных, мощных источников генерации электроэнергии, то теперь умы многих учёных занимает создание новых способов, больше направленных в область извлечения энергии, которая до этого не была освоена.
Кроме того, из-за широкого распространения миниатюрной умной электроники наблюдается рост разработок маломощных, миниатюрных генераторов для питания такой электроники, и ниже будет рассказано об одном из наиболее интересных направлений работ в этой области.
Эффект накопления электрических зарядов из-за трения известен давно, ещё со времён античности, когда самые ранние экспериментаторы тёрли янтарь шерстью и наблюдали прилипание к нему мелких лёгких предметов — перьев, волосков и т. д.
На элементарном уровне суть механизма трибоэлектричества заключается в том, что разные материалы имеют разную силу связи электронов на поверхности материала, другими словами, атомы могут удерживать эти электроны с разной силой.
При плотном контакте разных материалов (например, при рассматриваемом трении), происходит взаимодействие материалов на атомарном уровне, что приводит у того материала, которых слабее удерживает электроны — к переходу их на поверхность другого материала, который обладает большей силой удерживания своих электронов.
В результате такого перехода на поверхности одного из материалов образуется недостаток электронов, так как потерял их, а второй — получает их избыток, так как приобрёл.
Таким образом, первый материал приобретает положительный заряд, а второй — отрицательный.
Учёные для систематизации трибоэлектрических материалов, составили так называемый «трибоэлектрический ряд», в котором расположили известные материалы таким образом, чтобы в самом начале ряда располагались материалы, легко отдающие заряды, а в конце — наиболее хорошо принимающие. Первый из известных рядов был составлен ещё в 1757 году, шведским физиком-экспериментатором Иоганном Вильке.
Возвращаясь к сути нашего вопроса, можно сказать, что сейчас идут активные разработки в области так называемых «трибоэлектрических наногенераторов» (TENG), которые могут быть особенно полезны в свете общей тенденции к уменьшению энергопотребления носимой электроники и электроники интернета вещей, где наблюдается переход от уровней потребления в мВт — к мкВт, что делает уже реальным применение и таких генераторов.
Ключевой вехой в развитии этой технологии принято считать 2012 год, когда процессор Zhong Lin Wang (Технологический университет Джорджии, США), выдвинул теорию и обоснование, что генераторы на основе трения могут быть легко произведены из самых простых, дешёвых материалов и могут обеспечить достаточно большую выходную мощность для разного рода портативной электроники.
Но на пути эффективного использования этого способа лежит понимание физики протекающих процессов и как их наиболее выгодно использовать — например, выше мы видели, что сам процесс носит поверхностный характер, и логично было бы предположить, что увеличение площади поверхностей, взаимодействующих друг с другом, позволит кардинально увеличить эффективность.
Так оно и есть, и, например, в статье (но не только здесь, информации по теме довольно много) рассматривается множество интересных способов создания трибоэлектрических генераторов, где, в том числе, есть и интересные способы модификации поверхностей для увеличения эффективности.
Одним из самых простых способов создания такой поверхности является обычное зашкуривание её шкурками разной зернистости — такая обработка существенно повышает выходную мощность.
В различных тестах и в работах разных исследовательских групп проверялась эффективность такого подхода, и было достигнуто оптимальное среднее значение зерна шкурки, которое должно находиться в пределах 200. Такая грубая шкурка весьма эффективно создаёт неровности, что, в нашем случае, как раз и требуется: обработка такой шкуркой позволяет поднять выходную мощность на 100% (дальнейшее уменьшение размера зерна снижает эту эффективность).
Однако, как было выяснено, шкурка — далеко не самый лучший способ создания пористых поверхностей! Одним из довольно интересных (и странных, для обычного человека) является использование… сахарной ваты! :-D
Суть в следующем: по-научному это называется «создание водорастворимых каркасов»: каркас из водорастворимого материала (например, сахарная вата) укладывается в ёмкость (и несколько сплющивается, если нужен относительно тонкий слой), после чего этот каркас заливается смесью пре-полимера и отвердителя, после полимеризации которых образуется, соответственно, полимер в виде монолитного слоя, пронизанного каркасом.
Существенным моментом является использование каркаса в виде нитей, связанных друг с другом и внешней поверхностью, то есть, просто «посыпать сахарный песок/соль и залить его» — не прокатит; вернее, прокатит, но эффективность будет не та. Нужен именно нитеобразный каркас, образующий общую связанную сеть (думается, что несколько смятая сахарная вата будет в самый раз).
Далее, получившийся полимерный «брусок» промывается тёплой водой, в результате чего нити сахарной ваты растворяются и вымываются из слоя, оставляя только пористый полимерный слой, пронизанный сетью связанных ходов.
По результатам тестов многих пар материалов, было выявлено, что одним из наилучших сочетаний трущихся материалов является пара из силикона и полиамида (нейлон), где силикон является отличным приёмником электронов (и, соответственно, получает отрицательный заряд), а полиамид — отличный донор электронов (и, соответственно, заряжается положительно).
Почему: оба материала, помимо высокой электрической эффективности при работе в паре, можно приобрести в виде литьевых составов.
На этот счёт есть хорошая картинка, где наглядно видно, что полиамид (PA66) стоит в нижней части ряда, а PTFE (тефлон) — в самом верху. Они здесь не показали силикон, к сожалению, который тоже должен, по идее, находиться наверху. Понятно, что силикон предпочтительнее тефлона, ввиду литьевых свойств и распространённости.
Также нужно стремиться к минимально возможной толщине плёнок трибоэлектрических материалов, так как только это позволяет обеспечить достаточную гибкость материалов, что обеспечивает максимальную площадь касания между ними.
Что же касается основных сценариев работы подобного трибоэлектрического генератора, то их всего 4, которые показаны на картинке вот тут:
Vertical Contact Separation Mode
Используются 2 периодически разделяемые поверхности, где, в практическом смысле, для реализации такого разделения между поверхностями могут быть установлены гибкие «столбики», сминающиеся при нажатии и позволяющие поверхностям коснуться друг друга; после же снятия давящего усилия — снова распрямляющиеся и разводящие обе поверхности на фиксированное расстояние (величина зазора зависит от напряжения, генерируемого в каждом конкретном случае — то есть, он должен быть установлен таким, чтобы не происходило пробоя).Lateral Sliding mode
Поверхности постоянно касаются друг друга, но одновременно могут также скользить относительно друг друга.Single Electrode Mode
Это конструкция обеспечивает вполовину меньшую мощность относительно остальных вариантов и состоит всего лишь из 1 слоя, и работа достигается за счёт приближения(касания)/удаления этого материала другими объектами.Freestanding Mode
В этом режиме, одна из трущихся поверхностей не имеет своего электрода и движется, скользя по другой трибоэлектрической поверхности, которая уже и подключена к 2 электродам.
После ознакомления со всеми этими режимами становится понятно, что, по сути, они предназначены только лишь для обеспечения гибкости использования технологии:
например, очевидно, что первый вариант наиболее подходит для генерации энергии при ходьбе — путём встраивания в обувь,
второй вариант — хорош для одежды,
третий может помочь использовать природные факторы, например, капли дождя,
а четвёртый — хорош для использования в неких механизмах, где крепление электрода к движущейся части механизма объективно невозможно (попросту отвалится, отломится).
Насколько можно понять, все варианты генерации подразумевают производство переменного тока, поэтому схема питания должна предусматривать наличие выпрямителя (если объект питания этого требует).
Также необходимо иметь в виду, что, раз мы имеем дело с поверхностными процессами, то и сбор заряда должен производиться также со всей поверхности материалов (выше мы уже это видели, на картинке).
Таким образом, схема сбора заряда может выглядеть следующим образом: электрод-полиамид-гибкие столбики-разделители (опционально, только в рассмотренном выше варианте «Vertical Contact Separation Mode»)-силикон-электрод.
В качестве электродов (если делать на научном уровне) можно использовать металлическое напыление в вакууме, нанесённое на противоположные стороны контактирующих материалов, к которому уже и прижимаются токопроводящие электроды для снятия полезного заряда.
Если на бытовом уровне, то возможно даже использование обычной пищевой фольги, на которую сверху и может был налит литьевой слой полимера, таким образом, чтобы полимер и фольга стали единой, монолитной конструкцией, с максимальной плотностью контакта между ними.
Результатом таких усилий может стать устройство, которое (при соответствующем подходе) может выдавать, в среднем, до 100 мкВт/см2 , и выходным напряжением в несколько сотен вольт.
В качестве идеи весьма любопытного апгрейда: несколько раньше, мы рассматривали поразительный — как по достигаемому эффекту, так и по простоте получения, способ генерации сверхтонких нитей: электроспиннинг.
Ну, а дальше, вы, наверное, поняли! :-) Зачем использовать сахарную вату, если есть электроспиннинг, нити, получаемые в рамках которого (до 500 нм и тоньше), просто кардинально, на голову, превосходят по тонкости, нити (10 мкм и толще), содержащиеся в типовой сахарной вате!
Вот и способ кардинального, скачкообразного увеличения эффективности трибоэлектрического генератора! Впрочем, для этого уже нужны тесты…;-)
© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»