Wie Reibung eines Tages Ihr Handy aufladen kann

Das Phänomen, das einen schmerzhaften Schlag verursacht, wenn Sie Metall berühren, nachdem Sie Ihre Schuhe über den Teppich gezogen haben, könnte eines Tages zum Aufladen persönlicher Elektronik genutzt werden.

Forscher von Georgia Tech haben ein Gerät entwickelt, das statische Elektrizität nutzt, um Bewegungen – wie ein Telefon, das in der Tasche herumhüpft – in genügend Energie umzuwandeln, um einen Handy-Akku aufzuladen. Es ist die erste Demonstration, dass diese Art von Materialien genug Kraft haben, um persönliche Elektronik mit Strom zu versorgen.

Überschüssige Energie, die beim Gehen, Herumzappeln oder sogar beim Atmen entsteht, kann theoretisch verwendet werden, um medizinische Implantate und andere elektronische Geräte mit Strom zu versorgen. Es ist jedoch eine Herausforderung, die Energie dieser kleinen Bewegungen zu nutzen.

Zhong Lin Wang , ein Professor für Materialwissenschaften an der Georgia Tech, beschäftigt sich seit mehreren Jahren mit dem Problem und konzentriert sich dabei hauptsächlich auf piezoelektrische Materialien, die unter mechanischer Belastung eine elektrische Spannung erzeugen (siehe Harnessing Hamster Power with a Nanogenerator ). Wang und andere haben den piezoelektrischen Effekt verstärkt, indem sie Materialien im Nanomaßstab strukturiert haben. Bisher haben piezoelektrische Nanogeneratoren jedoch keine sehr beeindruckende Leistung erbracht.

Nun hat Wangs Gruppe gezeigt, dass ein anderer Ansatz vielversprechender sein könnte: statische Elektrizität und Reibung. Dies ist der Effekt bei der Arbeit, wenn Sie an einem trockenen Tag mit einem Plastikkamm durch Ihr Haar fahren und es zu Berge steht. Die Forscher des Georgia Tech zeigten, dass dieses Phänomen der statischen Aufladung, das als triboelektrischer Effekt bezeichnet wird, genutzt werden kann, um mit einer Art von Kunststoff, Polyethylenterephthalat und einem Metall Strom zu erzeugen. Wenn dünne Schichten dieser Materialien miteinander in Kontakt kommen, laden sie sich auf. Und wenn die beiden Folien gebogen werden, fließt zwischen ihnen ein Strom, der zum Laden einer Batterie genutzt werden kann. Wenn die beiden Oberflächen mit nanoskaligen Strukturen strukturiert werden, ist ihre Oberfläche viel größer, ebenso wie die Reibung zwischen den Materialien – und die Leistung, die sie erzeugen können.

Der Nanogenerator von Georgia Tech kann 10 bis 15 Prozent der Energie mechanischer Bewegungen in Elektrizität umwandeln, und dünnere Materialien sollten in der Lage sein, bis zu 40 Prozent umzuwandeln, sagt Wang. Ein fingernagelgroßes Quadrat des triboelektrischen Nanomaterials kann beim Biegen acht Milliwatt erzeugen, genug Leistung, um einen Herzschrittmacher zu betreiben. Ein fünf mal fünf Zentimeter großes Pflaster kann 600 LEDs gleichzeitig zum Leuchten bringen oder einen Lithium-Ionen-Akku laden, der dann ein handelsübliches Handy mit Strom versorgen kann. Wangs Gruppe beschrieb diese Ergebnisse online in der Zeitschrift Nano-Buchstaben .

Die Auswahl an Materialien ist groß und die Herstellung des Geräts ist einfach, sagt Wang. Jeder von etwa 50 gängigen Kunststoffen, Metallen und anderen Materialien kann kombiniert werden, um diese Art von Gerät herzustellen.

Ich bin beeindruckt von der Leistungsdichte hier, sagt Shashank Priya , Direktor des Center for Energy Harvesting Materials and Systems an der Virginia Tech. Andere intelligente Materialien haben nicht genug Energie für praktische Anwendungen produziert, sagt er.

Ob der neue Nanogenerator auch außerhalb des Labors funktioniert, bleibt abzuwarten. Sie müssen zeigen, dass dies im wirklichen Leben aus mechanischen Schwingungen Strom erzeugen kann, sagt Jiangyu Li , Professor für Maschinenbau an der University of Washington in Seattle. Um in der realen Welt zu arbeiten, muss ein Energiefresser in der Lage sein, Schwingungsfrequenzen aufzunehmen, die die meiste Energie liefern. Ein Nanogenerator, der nur niederenergetische mechanische Schwingungen aufnehmen kann, würde viel zu lange brauchen, um ein Handy aufzuladen, bemerkt Priya. Wang sagt, er sei in Gesprächen mit Unternehmen über die Entwicklung des Energiefressers für bestimmte Anwendungen und stelle sich vor, ihn an einem Armband zu tragen.

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