Усовершенствование российскими учеными такого метода выработки электроэнергии существенно приблизило время применения этой инновационной технологии. Где потребуется она?
От киригами до комбинирования волокон
Около 10 лет назад были изобретены TENG (трибоэлектрические наногенераторы). И тогда появился шанс, что человечество сможет получать электроэнергию в процессе ношения одежды. Вырабатываемой энергии, возникающей при трении тела и вещей, вполне достаточно для работы небольших гаджетов, в том числе датчиков здоровья, часов и т. д. Трибоэлектрические наногенераторы позволяют получать электричество путем преобразования механических низкочастотных колебаний.
Однако на сегодняшний день так и не решена проблема с выбором оптимальных материалов для изготовления одежды, генерирующей электроток. Здесь требуются легкие, дышащие, растягивающиеся и, конечно же, безопасные для человеческого организма ткани с TENG. Перечисленными свойствами обладают натуральные материалы, однако оптимальными вариантами для пошива одежды с наногенераторами признаны именно полимерные аналоги.
Существуют разные варианты решения данной проблемы: от китайской техники киригами (специального разрезания ткани для придания той гибкости) до американского метода комбинирования волокон (он позволяет получать «умный текстиль»). Однако перечисленные техники производства не являются максимально эффективными, и потому ученые заняты поиском оптимальных технологий для создания одежды из TENG, способной подзаряжать гаджеты. Если же результаты таких начинаний будут успешными, человечество избавится от необходимости применения токсичных, неудобных химических источников электротока.
Маленькие, да удаленькие!
Разработки, связанные с генерирующей ток одеждой, стали возможными благодаря открытиям физика Чжунлинь Вана из Технологического института Джорджии. В процессе изучения наноматериалов он предположил, что трибоэлектрический эффект способен приносить огромную пользу человечеству. Свои эксперименты ученый, как и его последователи, осуществлял на наноуровне, в том числе с монослоями атомов углерода. В результате было совершено важное открытие: мельчайшие диэлектрики в процессе взаимного трения вырабатывают особый ток смещения малой плотности. И при таком воздействии происходит генерация большого электрического потенциала.
Где можно применять TENG?
Одна из сфер, где требуется массовое внедрение инновационной технологии: медицина. Дело в том, что благодаря наногенераторам здесь удастся повысить безопасность, качество функционирования биосовместимых устройств (а не только различных датчиков). TENG работают при механическом движении людей, воздушных масс, капель дождя и потому являются чистыми источниками энергии. По алгоритмам своего функционирования они похожи на китайские большие устройства в форме буев, которые плавают по морским волнам и одновременно вырабатывают электричество.
TENG также отлично подходят и для мини-объектов солнечной энергетики. Если тонкой иглой поскрести полупроводник, покрытый слоем диэлектрика, то образуется заряд электричества. Его вполне достаточно для функционирования сканирующих микроскопических устройств. И недавние эксперименты с полупроводником из кремния и фосфида индия, проведенные специалистами ФТИ имени А. Ф. Иоффе РАН, стали очередным успешным шагом к созданию новых образцов солнечных элементов.
Как подтвердил старший научный сотрудник Физико-технического института Прохор Алексеев, с помощью микроскопического зонда полупроводник кремния становится источником тока высокой плотности с небольшим напряжением. При этом в процессе эксперимента ученые столкнулись и со значительной разницей в измерении его мощности. Анализ результатов исследований подтвердил, что фиксацию параметров необходимо осуществлять без применения лазерной подсветки, искажающей показатели. В результате перечисленных исследований ученым удалось разработать такую схему, чтобы с помощью полупроводников из кремния и фосфида индия можно было изготавливать гибридные устройства.
Впереди испытания на полупромышленных образцах
Такая техника, например, может состоять из фотоэлементов и контактов, перемещаемых ветром. Они позволят СЭС вырабатывать электроэнергию даже в темное время суток. Теперь задача ученых состоит в том, чтобы сделать гибридные устройства, подвергающиеся механическому воздействию, максимально долговечными, эффективными (не снижая при этом КПД). И в ближайшее время сотрудники ФТИ планируют провести испытания изобретенной технологии на российских полупромышленных образцах солнечных элементов.