Шатающаяся консоль вырабатывает ток из света
Новое устройство может превращать в электричество солнечный свет, тепло, вибрации и даже дуновения ветерка. Проекты таких интегрированных «сборщиков» даровой энергии мы видели не раз.
Но новичок выделяется на их фоне: все указанные источники без запинки переваривает одна и та же деталь. Она заменяет несколько генераторов разного типа.
Авторы изобретения — доктор Лун Цюэ (Long Que) и его команда из технологического университета Луизианы (Louisiana Tech). Пришли они к идее генератора случайно.
Экспериментируя с микроскопическими устройствами на основе разных материалов, учёные заметили автономные колебания крохотной консоли, покрытой слоем из углеродных нанотрубок.
Поставив серию опытов, исследователи убедились, что колебания действительно происходят «сами собой» до тех пор, пока на консоль падает свет. Причём это мог быть и свет от лампы, и обычный солнечный — на улице.
Разобравшись с тонкостями процесса, физики создали генератор, использующий удивительное свойство этой консоли.
Материал CNF. Обычная фотография и снимок электронного микроскопа (иллюстрация Venu Kotipalli et al./Applied Physics Letters).
В основу устройства легла тончайшая плёнка из армии нанотрубок (carbon nanotube film — CNF). Именно она изгибается под действием света.
Причём реагирует на волны как видимого, так и инфракрасного диапазона (на последний — особенно хорошо).
Как только консоль достигает максимального смещения, оно уменьшается, потом вновь возрастает. И так цикл за циклом.
Без излучения перемещение исчезает.
Наблюдаемый эффект учёные окрестили самостоятельным возвратно-поступательным движением (self-reciprocation). Физики говорят, что оно обусловлено поглощением фотонов, а также тем, что консоль обладает высокой электропроводностью и быстро рассеивает полученное тепло в окружающую среду.
Теперь осталось только придумать, как преобразовать эти микроскопические колебания в ток. В качестве генератора авторы работы использовали известный более полувека пьезоэлектрический материал — цирконат титанат свинца (PZT).
Эта керамика применяется в датчиках, конденсаторах, ультразвуковых излучателях и многих других изделиях. В новом генераторе PZT разместили между тонкими и гибкими электродами, а сверху покрыли тем самым слоем CNF.
Схема прибора.
Длина консоли составляет 20 миллиметров (иллюстрация Venu Kotipalli et al./Applied Physics Letters).
Опыт с устройством размером с монетку показал: будучи освещённым с интенсивностью 0,13 Вт/см2, оно вырабатывает мощность 2,1 микроватта при разности потенциалов до 10 вольт. При этом Лун Цюэ со товарищи полагают, что дальнейшая оптимизация конструкции (в частности, снижение внутреннего сопротивления) приведёт к повышению мощности.
Профессор Лун Цюэ (на снимке) и его коллеги рассказали о своём опыте в статье в Applied Physics Letters и пресс-релизе университета (фото Louisiana Tech University).
Эксперименты также помогли выяснить, что консоль аналогично реагирует и на механические вибрации, и на слабые потоки воздуха. Получается, что одного этого прибора достаточно, чтобы получать энергию из нескольких источников.
Так можно подпитывать, к примеру, миниатюрные беспроводные датчики, медицинские устройства, чипы для разных систем связи и так далее.
Ранее изобретателям, мечтавшим о подобной «жатве», приходилось или выбирать какой-то один путь выработки электричества (микроскопические солнечные батареи, термоэлектрические генераторы, сборщики вибраций), или втискивать их все в единый корпус. Это слишком сложный подход.
Вибрирующая консоль — явно проще.
Из других интересных работ в области миниатюрных генераторов можно вспомнить кремниевый нанолес (его раскачивал ультразвук) и фотоячейку, одновременно обращающую в ток свет и тепло. Обе эти системы, довольно хитро устроенные, скрещивают разные явления.
Но всё равно они не претендуют на энергетическую всеядность. По сочетанию простоты и достигаемого эффекта прибор из Луизианы обошёл их все.
Как сделать автономное освещение на основе аккумулятора и инвертора: полезное видео от Electronoff
