Od greckiego „elektronu” do nanotechnologii. Długa historia jednego zjawiska
Wszystko zaczęło się około 600 roku p.n.e., gdy grecki filozof Tales zauważył niezwykłą właściwość bursztynu. Po potarciu go futrem, kamień zaczął przyciągać lekkie obiekty. Od greckiej nazwy bursztynu – „elektron” – wzięło się później pojęcie elektryczności. Samo zjawisko nazywamy dziś efektem tryboelektrycznym. Mimo tak długiej historii, mikroskopowe mechanizmy stojące za powstawaniem ładunku podczas tarcia wciąż nie są do końca wyjaśnione. Simone Meloni, chemik i fizyk z Uniwersytetu w Ferrarze, który od lat bada to zjawisko w nanoskali, przyznaje, że nauka wciąż ma więcej pytań niż odpowiedzi.
Czytaj też: Fizycy rozwiązali problem z “Teorii wielkiego podrywu”. Reaktory fuzyjne naprawdę to potrafią!
Mimo wieków badań, fundamentalna mikroskopowa przyczyna triboelektryfikacji wciąż nie jest w pełni zrozumiana. Naukowcy nadal debatują, co naprawdę dzieje się, gdy dwie powierzchnie stykają się, przesuwają i rozdzielają, oraz czy przenoszone są między nimi elektrony i/lub jony, czy coś innego – tłumaczy badacz
Ta naukowa niewiedza nie paraliżuje jednak działań inżynierów. Zespół Meloniego opracował funkcjonalny nanogenerator typu intruzja-ekstruzja, który osiąga wydajność konwersji energii mechanicznej na elektryczną na poziomie około 9%. To całkiem przyzwoity wynik, biorąc pod uwagę, iż wykorzystujemy tu zjawisko znane głównie z niespodziewanych „porażeń” prądem.
Zasada działania nanogeneratora
Sercem wynalazku jest niezwykły materiał – porowaty krzem pokryty ultracienką warstwą dwutlenku krzemu (krzemionki). Jego kluczową cechą jest hydrofobowość, czyli odpychanie wody. Generator nie produkuje prądu przez pocieranie dwóch powierzchni, jak w klasycznym eksperymencie z bursztynem. Zamiast tego wykorzystuje cykliczne wtłaczanie i wypychanie wody pod ciśnieniem z miliardów mikroskopijnych porów. Przewodzący krzem stanowi elektrodę, oddaloną od miejsca reakcji zaledwie o 1-2 nanometry. Dla porównania, grubość ludzkiego włosa to około 80 000 nanometrów. Gdy woda jest wpychana i wysuwana z porów, dochodzi do ciągłego odrywania i przyłączania specjalnie zaprojektowanych cząsteczek na powierzchni krzemionki. Ten proces generuje różnicę potencjałów, a w efekcie – prąd przemienny.
Wydajność całego układu zależy od precyzyjnie wprowadzonych defektów w materiale. Pełnią one kluczową rolę, lecz ich ilość musi być idealnie wyważona. Więcej defektów zwiększa ładowanie powierzchni, lecz zbyt wiele niszczy hydrofobowość – tłumaczy Meloni. Tajemnica mocy generatora tkwi w ogromnej powierzchni wewnętrznej materiału porowatego. Na jeden gram proszku może ona przekraczać rozmiary boiska piłkarskiego, co pozwala na uzyskanie zauważalnych ilości energii z pozornie nieznacznego ruchu.
Zastosowania w motoryzacji i nie tylko
Jednym z najbardziej konkretnych kierunków prac jest stworzenie regeneracyjnych amortyzatorów dla pojazdów elektrycznych. Obecnie standardowe amortyzatory marnotrawią, zamieniając w ciepło, od 5 do 10% całkowitej energii pojazdu. Nanogeneratory TENG, wbudowane w układ zawieszenia, mogłyby odzyskiwać tę energię z ciągłego ruchu tłoczków, zwiększając zasięg auta. Projekt ten jest częścią inicjatywy finansowanej przez Unię Europejską, a pierwsze prototypy są już testowane.
Czytaj też: Energetyka jądrowa ma szansę na nowy start. Największa bolączka reaktorów jądrowych ma swoje lekarstwo
Wizje sięgają jednak znacznie dalej niż motoryzacja. Tryboelektryczne nanogeneratory mogłyby stać się idealnym źródłem energii dla elektroniki niskiej mocy i urządzeń noszonych (tzw. wearables). Wyobraźmy sobie opaskę fitness, która ładuje się z ruchu ręki podczas chodzenia, czy sieć czujników środowiskowych zasilanych wiatrem lub deszczem. Technologia ta ma potencjał, by wyeliminować potrzebę wymiany baterii w milionach małych, rozproszonych urządzeń. Naukowcy wciąż eksperymentują z różnymi materiałami, szukając lepszej wydajności i trwałości. Niemniej, sama koncepcja jest niezwykle intrygująca, wszak wykorzystuje powszechny, marnowany ruch, nie emituje zanieczyszczeń i nie wymaga rzadkich surowców.