Aj kroky môžu byť zdrojom elektrickej energie  
Laboratórnymi testami prešiel nový typ miniatúrneho generátora striedavého elektrického napätia, pracujúceho na základe piezoelektrických vlastností oxidu zinočnatého.

 

 

Oxid zinočnatý (ZnO) je asi  najznámejší vo forme žiarivo bieleho maliarskeho práškového pigmentu – zinkovej beloby. Vďaka schopnosti absorbovať UVA aj UVB žiarenie sa používa aj ako zložka ochranného faktoru opaľovacích krémov. Kryštály ZnO sú piezoelektrické (mechanickým tlakom v nich vzniká elektrický potenciál) a termochromické (pri nahrievaní menia farbu, v prípade ZnO na žltú). 

 

Zvětšit obrázek (300dpi)
Profesor Zhong Lin Wang s novým typom generátora striedavého elektrického napätia. Tenké drôtiky v ochrannom pružnom plastickom materiáli sú napojené na drobné tyčovité kryštály piezoelektrického oxidu zinočnatého. Stačí periodicky ohybom spôsobovať pnutie a opäť ho uvoľňovať – a z tejto súčiastky sa môže stať zdroj slabého striedavého elektrického prúdu.
Foto: Gary Meek, Georgia Tech


A práve na základe piezoelektrických vlastností oxidu zinočnatého vedci pod vedením profesora Zhong Lin Wanga z Technického ústavu v americkom štáte Georgia vytvorili nový typ miniatúrneho zdroja slabého striedavého elektrického napätia. Budiacim mechanizmom je cyklické napínanie a uvoľňovanie drobných, tyčinkám podobných kryštálov oxidu zinočnatého, pripojených na tenké vodiče a kvôli ochrane pred vonkajším prostredím uzavretých v pružnom plastickom materiáli. Ide o akúsi pumpu elektrického náboja, ktorá mechanickú energiu premieňa na energiu elektrickú. Vzniká tak rozmerovo veľmi malý generátor striedavého napätia až do 45 milivoltov. Jeho účinnosť je asi 7 percent, to znamená, že len 7 stotín vynaloženej mechanickej energie premení na energiu elektrickú. Napriek tomu ide o nádejný smer vývoja napájacích zdrojov pre rôzne oblasti – napríklad pre jemnú elektrotechniku, pre rôzne miniatúrne monitorovacie zariadenia a snímače v medicíne, alebo v oblasti životného prostredia.

 

Na konte Wangovho výskumného tímu je už niekoľko typov mikrovláknových nanogenerátorov, ktoré využívajú piezoelektrické vlastnosti kryštálov ZnO. Ich funkcia však doposiaľ vyžadovala priamy kontakt snímacích elektród s povrchom aktívnej vrstvy.  Problémom je čiastočná rozpustnosť oxidu zinočnatého vo vode, čo znižovalo odolnosť týchto zariadení voči vlhku a komplikovalo ich konštrukciu. "Naša nová pružná pumpa elektrického náboja rieši niekoľko kľúčových otázok, vyplývajúcich z konštrukcie našich predchádzajúcich generátorov," upresňuje Wang. "Nový dizajn odstraňuje problém s prenikaním vlhkosti a opotrebovaním štruktúr. Z praktického hľadiska je to oveľa výhodnejšie."

Zvětšit obrázek
Snímka z elektrónového mikroskopu zobrazuje nanovlákna oxidu zinočnatého, ktoré vznikli kondenzáciou pár ZnO na vhodnom povrchu.
Foto: Columbia University, New York

Nový miniatúrny piezoelektrický generátor napätia je založený na tri až päť tisícin milimetra tenkých vláknach z oxidu zinočnatého s dĺžkou 0,2 až 0,3 milimetrov.
Vytvárajú sa metódou vyzrážania z plynnej fázy (physical vapor deposition method), pri ktorej sa na vhodne zvolenom povrchu usadzuje kondenzát z pár príslušného materiálu. V tomto prípade sú zdrojom pary ZnO pri teplote približne 600 stupňov Celzia, z ktorých kondenzujú tenké, tyčinkám podobné kryštály. Pomocou optického mikroskopu sa tieto jemné vlákna ukladajú na polyimidovú fóliu. Strieborný povlak na ich koncoch slúži ako elektróda pre pripojenie k vonkajšiemu obvodu. Povrch je zaliaty opäť do polyimidu, ktorý zariadenie chráni pred vlhkosťou a deštrukciou.

 

Vytváranú elektrickú energiu vedci merali tak, že na konce tohto minigenerátora pripojili mechanizmus, ktorý ho periodicky ohýbal, čím vytváral v kryštáloch tlak vyvolávajúci piezoelektrický potenciál. To vyvolalo tok elektrónov smerom do pripojeného vonkajšieho elektrického obvodu s meracími prvkami. Pri uvoľnení napätia proces prebiehal opačným smerom. Tak pri periodickom striedaní napätia a relaxu vznikal odpovedajúci elektrický prúd, meniaci smer s frekvenciou mechanických zmien. Wang sa domnieva, že túto prúdovú frekvenciu obmedzujú iba vlastnosti ochranného polyimidového substrátu.

 

Zvětšit obrázek (300dpi)
Horný obrázok je ilustráciou testu miniatúrneho piezoelektrického generátora elektrického napätia. V dolnej časti je mikrofotografia reálneho prototypu.

Výsledky vedci porovnávali s podobnými experimentami, no na báze uhlíkových a kevlarových vláken (kevlar - ľahké pevné syntetické para-aramidové vlákno) pokrytých vrstvou polykryštalického kysličníka zinočnatého, aby overili, či nameraný elektrický prúd je naozaj produkovaný novým zariadením a nie je len nejakým externým artefaktom merania. Pri týchto porovnávacích pokusoch však nenamerali v elektrickom obvode žiadne zmeny. Osem rôznych testov vylúčilo prípadný omyl. 

Takýto generátor je síce miniatúrny, no stále nejde o nanotechnológie, v ktorých štruktúry sú minimálne 100 krát menšie. S väčšími vláknami sa však pracuje lepšie, väčšie rozmery zjednodušujú výrobu zariadenia a laboratórne testy. No profesor Wang pripomína, že tieto prvky môžu byť zmenšené až na nanometrovú úroveň. Aj na takýchto rozmeroch budú vraj platiť rovnaké fyzikálne princípy. 

Jednotlivé drobné piezoelektrické generátory sa môžu sériovo zapájať do vrstiev a tieto zasa do viacvrstevných modulov, čím sa úmerne zvyšuje aj vytvorené elektrické napätie.
Využitie týchto piezoelektrických modulov by sa mohlo odvíjať od existujúcich zdrojov mechanického tlaku a pnutia a mohli by sa stať súčasťami odevov, topánok, dlaždíc, stavebných prvkov, či dokonca by mohli byť implantované do tela ako nezávislý napájací zdroj pre rôzne stimulátory, či senzory. Budúcnosť zväčša prináša nečakané technické riešenia. V predstave profesora Wanga dominuje celá nová generácia mikrometro- a nanometro- rozmerových bezdrôtových, od existujúcich zdrojov napätí závislých generátorov, ktoré by boli zdrojom energie pre rôzne senzorické systémy a zariadenia na zber a prenos dát. “Samonapájacie nanotechnológie môžu predstavovať základ nového priemyselného odvetvia”, tvrdí. “Je to jediná cesta tvorby nezávislých systémov.“

 

ZdrojGeorgia Institute of TechnologyNature Nanotechnology


 

Datum: 12.11.2008 12:50
Tisk článku

Fyzika 9 - Karel Rauner, Václav Havel, Miroslav Randa
 
 
cena původní: 179 Kč
cena: 170 Kč
Fyzika 9
Karel Rauner, Václav Havel, Miroslav Randa

Diskuze:

Žádný příspěvek nebyl zadán



Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni














Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace