Σύρματα που λυγίζουν παράγουν εναλλασσόμενο ρεύμα

Πηγή: PhysicsWorld, 14 Νοεμβρίου 2008

Σύντομα θα μπορείτε να φορτώσετε το κινητό σας τηλέφωνο χρησιμοποιώντας το παπούτσι σας χάρη σε ερευνητές οι οποίοι έχουν δημιουργήσει μια μικροσκοπική συσκευή που παράγει ηλεκτρική ενέργεια, καθώς αυτή τεντώνεται και στη συνέχεια αφήνεται ελεύθερο.

Η συσκευή, που βασίζεται σε ένα σύρμα από οξείδιο του ψευδαργύρου, μπορεί να δημιουργήσει εναλλασσόμενο ρεύμα περίπου 8 pA (πίκο αμπέρ) και τάση περίπου 50 mV, που είναι τουλάχιστον 15 φορές μεγαλύτερη από άλλες μικροσκοπικές γεννήτριες. Η ερευνητική ομάδα ισχυρίζεται ότι η διαδικασία είναι αρκετά αποτελεσματικές ώστε να μπορεί χρησιμοποιηθεί για την ηλεκτροδότηση απομακρυσμένων αισθητήρων ή ακόμα και ηλεκτρονικού εξοπλισμού.

Ο Zhong Lin Wang και οι μικροσκοπικές γεννήτριες

Η νέα τεχνολογία έχει αναπτυχθεί από τον Zhong Lin Wang και τους συνεργάτες του στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Γεωργίας και ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Ντέιτον. Νωρίτερα φέτος, ο Wang παρουσίασε ένα συρμάτινο ύφασμα από οξείδιο του ψευδαργύρου που, όταν τεντώνεται ή ζαρώνει, θα μπορούσε να παράγει αρκετό ηλεκτρισμό για να φορτίσει ένα κινητό τηλέφωνο.

Ο σχεδιασμός τους στηρίζεται στον πιεζοηλεκτρισμό που δημιουργείται από εκατομμύρια μικροσκοπικά καλώδια που λύγιζαν καθώς αυτά τρίβονταν μαζί μέσα στα υφάσματα. Ωστόσο, στην πράξη αυτά τα υφάσματα δεν θα διαρκούσαν και πολύ, διότι η τριβή γρήγορα θα κατέστρεφε τα καλώδια - και είναι πολύ δύσκολο να φτιάξετε το ύφασμα έτσι ώστε τα καλώδια να τρίβονται μαζί σωστά στην αρχή.

Βελτίωση του σχεδιασμού

Τώρα όμως ο Wang ισχυρίζεται ότι έχει βελτιώσει το σχεδιασμό εστιάζοντας την προσοχή του στον ηλεκτρισμό που δημιουργείται όταν μεμονωμένα σύρματα τεντώνονται και αφήνονται ελεύθερα.

Η ομάδα του Wang έφτιαξε τη νέα γεννήτρια με τη συγκόλληση ενός σύρματος οξειδίου του ψευδαργύρου - πάχους 4 μm και μήκους 200 μm - σε μια ευέλικτη μονωτική ταινία από πολυαμίδιο. Το σύρμα τεντώνεται με μια απλή κάμψη της ταινίας. Η τάση που προκύπτει - η οποία προκαλείται από το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο - μετριέται κλείνοντας το κύκλωμα με ένα αμπερόμετρο. 

Η κάμψη δημιουργεί μια τάση στην άκρη του σύρματος

Για να πραγματοποιήσει μια γεννήτρια εναλλασσόμενου ρεύματος, η ομάδα συνέδεσε το ένα άκρο του καλωδίου σε ένα «φράγμα Schottky" - μια συσκευή ημιαγωγική που επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει προς μία κατεύθυνση μέσα από το σύρμα, αλλά όχι προς την άλλη. Όταν το σύρμα είναι τεντωμένο, δημιουργείται μια τάση στο σύρμα, και στη συνέχεια, όταν το καλώδιο χαλαρώνει, εμφανίζεται ένα όμοιο αλλά αντίθετης φοράς ρεύμα (τάση) σε ολόκληρο το σύρμα.

Σύνδεση σε σειρά

Ο Wang λέει πως προκαλείται εναλλασσόμενο ρεύμα περίπου 50mV όταν το καλώδιο είναι τεντωμένο κατά περίπου 0,1% και στη συνέχεια αφήνεται χαλαρό με ένα ρυθμό 22 κύκλους ανά λεπτό, από ένα μηχανικό βραχίονα που οδηγείται από έναν κινητήρα. Η ομάδα επίσης συνέδεσε δύο τέτοια σύρματα σε σειρά και διαπίστωσε ότι οι δύο τάσεις εξόδου αθροίζονται όταν τα σύρματα ταυτόχρονα τεντώνονταν - γεγονός που υποδηλώνει ότι θα μπορούσαν να είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους μια σειρά από γεννήτριες για τη δημιουργία υψηλότερων τάσεων.

Επίσης, η ομάδα διαπίστωσε ότι η αύξηση του ρυθμού με τον οποίο τεντώνεται ένα σύρμα αυξάνει και την τάση εξόδου και το ρεύμα.

Η διάταξη μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική με υψηλή απόδοση, όπως 6,8%. Ενώ αυτή είναι λιγότερη κατά το ένα δέκατο της απόδοσης ενός υδροηλεκτρικού στροβίλου, για παράδειγμα, ο Wang πιστεύει ότι είναι αρκετά καλή για πρακτικές εφαρμογές, επειδή μπορούν να ενωθούν πολλά καλώδια μαζί για να ενισχύσουν την ισχύ και την τάση εξόδου.

Επισημαίνει επίσης ότι η ομάδα του ερευνά πώς το σχήμα των συρμάτων και των υλικών που χρησιμοποιούνται μπορεί να τροποποιηθεί, ώστε να μεγιστοποιήσει την απόδοση.

Τέλος ο Wang πιστεύει ότι τα σύρματα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για αισθητήρες στην ιατρική, για παράδειγμα, με την εμφύτευση τους σε ένα μυϊκό ιστό. Θα μπορούσαν επίσης να τοποθετηθούν στη σόλα του παπουτσιού, όπου θα παράγουν ενέργεια ενώ ο χρήστης θα περπατάει - κάτι που θα μπορούσε να αποδειχθεί πολύτιμο για στρατιώτες σε μεγάλες αποστολές, οι οποίοι σήμερα έχουν να μεταφέρουν μεγάλες προμήθειες ηλεκτρικών στηλών.