Ekologia

Drewniana podłoga, która na skutek chodzenia przechwytuje wystarczającą ilość energii, aby zapalić żarówkę

Foto: Shutterstock

Naukowcy wykazali, że drewniane podłogi mogą zebrać wystarczającą ilość energii, aby włączyć żarówkę LED, co stanowi potencjalny przełom w zakresie energooszczędności w aranżacji wnętrz.

Zespół naukowców z siedzibą w Szwajcarii opracował drewniany „nanogenerator”, który wykorzystuje energię odgłosu kroków do wytwarzania energii elektrycznej.

Nanogenerator składa się z dwóch kawałków drewna o różnych powłokach, umieszczonych pomiędzy dwiema warstwami elektrod.

Kawałki drewna zostają naładowane elektrycznie poprzez okresowe kontakty i separacje, gdy nadepnie się na nie – zjawisko zwane efektem tryboelektrycznym.

Ten efekt powoduje, że kawałki bielizny świeżo wyjęte z suszarki sklejają się ze sobą, a balon zostaje naładowany elektrycznie po potarciu o włosy.

Podczas, gdy nanogenerator jest na razie tylko prototypem, w przyszłości ludzie będą mogli zasilać urządzenia w swoich domach, po prostu spacerując po pokoju. Naukowcy nie ujawnili, ile może to kosztować ani kiedy technologia może być powszechnie dostępna.

Badania zostały przeprowadzone przez ekspertów z ETH Zurich w Szwajcarii, Chongqing University w Chinach oraz Northwestern University w Illinois.

„Efektywność energetyczną budynków można by znacznie poprawić, umożliwiając materiałom budowlanym przekształcanie energii mechanicznej ich mieszkańców bezpośrednio w użyteczną energię elektryczną” – czytamy w artykule.

„W tym względzie szczególnie obiecujące są podejścia oparte na efektach tryboelektrycznych.

„Drewno to doskonały materiał budowlany, wysoko ceniony ze względu na swoją nieodłączną trwałość, niskie koszty oraz walory estetyczne”.

„Nasze funkcjonalizowane drewniane tryboelektryczne nanogeneratory wykazują potencjał jako podłogi do zbierania energii w inteligentnych budynkach”.

Warstwa, po której stąpa osoba, to fornir z rodzimego drewna. Nanogenerator znajduje się bezpośrednio pod okleiną i nie styka się z nim bezpośrednio.

Zespół rozpoczął od przekształcenia drewna w nanogenerator, umieszczając dwa kawałki funkcjonalizowanego drewna między elektrodami.

To właśnie odgłos kroków powoduje efekt tryboelektryczny, powodując, że kawałki drewna są naładowane elektrycznie.

Podczas efektu tryboelektrycznego elektrony – cząstki subatomowe, które przenoszą elektryczność w ciałach stałych – mogą przenosić się z jednego obiektu na drugi, generując energię elektryczną.

Jest jednak jeden problem ze zrobieniem nanogeneratora z drewna.

„Drewno jest zasadniczo tryboneutralne” – powiedział starszy autor badania Guido Panzarasa z ETH Zürich. „Oznacza to, że drewno nie ma rzeczywistej tendencji do nabywania lub utraty elektronów”.

Ogranicza to zdolność materiału do generowania elektryczności, więc wyzwaniem jest stworzenie drewna, które jest w stanie przyciągać i tracić elektrony.

Powyższa grafika pokazuje, w jaki sposób odgłosy kroków na funkcjonalnych podłogach drewnianych mogą być wykorzystane do zasilania małych urządzeń

Aby wzmocnić właściwości tryboelektryczne drewna, naukowcy pokryli jeden kawałek drewna polidimetylosiloksanem (PDMS), silikonem, który w kontakcie otrzymuje elektrony.

Druga warstwa drewna została osadzona nanokryształami zwanymi zeolitowym frameworkiem imidazolowym-8 (ZIF-8).

ZIF-8, hybrydowa sieć jonów metali i cząsteczek organicznych, ma większą skłonność do utraty elektronów.

Przetestowali również różne rodzaje drewna, aby określić, czy określone gatunki lub kierunek cięcia drewna mogą wpływać na jego właściwości tryboelektryczne, służąc jako lepsze rusztowanie dla powłoki.

Naukowcy odkryli, że najlepiej sprawdził się tryboelektryczny nanogenerator wykonany z promieniowo ciętego świerku, powszechnie stosowanego w budownictwie w Europie.

Wspólnie przeprowadzone zabiegi zwiększyły wydajność nanogeneratora tryboelektrycznego – wytworzył on 80 razy więcej energii elektrycznej niż naturalne drewno.

Moc wyjściowa urządzenia była również stabilna przy stałych siłach do 1500 cykli.

Naukowcy odkryli, że prototyp drewnianej podłogi o powierzchni nieco mniejszej niż kawałek papieru może wytworzyć wystarczającą ilość energii do zasilania domowych lamp LED i małych urządzeń elektronicznych, takich jak kalkulatory.

Z powodzeniem zapalili żarówkę za pomocą prototypu, kiedy dorosły człowiek szedł po nim, zamieniając kroki w elektryczność.

„Naszym celem było zademonstrowanie możliwości modyfikowania drewna za pomocą stosunkowo przyjaznych dla środowiska procedur, aby uczynić je tryboelektrycznym” – powiedział Panzarasa.


Schemat z artykułu badawczego przedstawia rozmieszczenie drewna (które zostało „sfunkcjonalizowane” za pomocą PDMS i ZIF-8) oraz elektrod

Zdaniem zespołu nanogenerator zachowuje również cechy, które sprawiają, że drewno jest przydatne w aranżacji wnętrz, w tym wytrzymałość mechaniczną i ciepłe kolory.

Cechy te mogą pomóc w promowaniu wykorzystania nanogeneratorów drzewnych jako ekologicznych źródeł energii w inteligentnych budynkach.

Twierdzą również, że konstrukcja z drewna może pomóc w łagodzeniu zmian klimatycznych poprzez sekwestrację CO2 ze środowiska przez cały okres życia materiału.

Kolejnym krokiem dla Panzarasa i jego zespołu jest dalsza optymalizacja nanogeneratora za pomocą powłok chemicznych, które są bardziej przyjazne dla środowiska i łatwiejsze do wdrożenia.

„Mimo że początkowo skupiliśmy się na badaniach podstawowych, ostatecznie badania, które prowadzimy, powinny doprowadzić do zastosowania w świecie rzeczywistym” – powiedział Panzarasa.

„Ostatecznym celem jest zrozumienie potencjału drewna wykraczającego poza te już znane i umożliwienie drewnu nowych właściwości dla przyszłych zrównoważonych inteligentnych budynków”.

Ich nanogenerator przedstawiono w artykule opublikowanym w czasopiśmie Matter

irme.pl

Źródło: Science & Tech