اصطکاک و حرکت الکترومغناطیسی: نحوه عملکرد منبع انرژی جدید

بیشتر انرژی که در زندگی روزمره ما را احاطه می کند هدر می رود: از طریق حرکت، ارتعاش، تماس با سطوح و اصطکاک معمولی تلف می شود. برای مدت طولانی، چنین ضررهایی برای شروع مطالعه بسیار کوچک در نظر گرفته می شد.

با این حال، در سال های اخیر، فیزیکدانان و مهندسان شروع به در نظر گرفتن این فرآیندها به عنوان منبع بالقوه برق کرده اند. تمرکز این مطالعات اثر تریبوالکتریک است. در مقاله Rambler بیشتر بخوانید.

برق رسانی تریبو چیست؟

تریبوالکتریفیکاسیون پدیده‌ای است که در آن الکترون‌ها یا یون‌ها هنگام لمس، مالش یا جدا شدن دو ماده بین آن‌ها دوباره توزیع می‌شوند. این پدیده برای همه آشنا است: یک لمس جزئی روی سطح شیشه پس از اصطکاک می تواند باعث الکتریسیته ساکن شود، موهای نزدیک شیشه “متحرک” می شوند و لباس ها هنگام خروج از ماشین به بدن می چسبند – اینها همه جلوه های اثر اصطکاک هستند.

در فیزیک، این فرآیند به عنوان الکتریسیته آماری نیز شناخته می شود و زیر بار باقیمانده ای است که می تواند پس از برهمکنش مکانیکی روی سطح یک ماده جمع شود. در سال های اخیر، مهندسان به طور فعال در حال تحقیق در مورد چگونگی تبدیل این شارژ به انرژی مفید بوده اند.

چگونه اثر اصطکاک به منبع انرژی تبدیل می شود؟

ابزار فنی اصلی برای کاربردهای عملی الکتریسیته تریبوالکتریک، نانو ژنراتور تریبوالکتریک (TENG) است. این دستگاه ها از تماس و جداسازی مواد برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی استفاده می کنند.

اصل عملیات در مفهوم ساده اما در اجرا پیچیده است: هنگامی که دو ماده با گرایش‌های جذب الکترون متفاوت با یکدیگر تماس پیدا می‌کنند و سپس از هم جدا می‌شوند، اختلاف پتانسیل در سطوح آنها ظاهر می‌شود. اگر این مواد توسط الکترودها به صورت سری به هم متصل شوند، می توان از این پتانسیل برای تولید جریان الکتریکی استفاده کرد.

هفت اکتشاف علمی تصادفی جهان را یکبار برای همیشه تغییر داد

TENG ها برای اولین بار در سال 2012 توجه علمی گسترده ای را به خود جلب کردند، زمانی که گروهی از محققان پتانسیل چنین دستگاه هایی را برای برداشت انرژی از حرکات اطراف نشان دادند. از آن زمان، چگالی توان و خروجی انرژی به لطف بهینه سازی مواد و طراحی به طور قابل توجهی افزایش یافته است.

تحقیقات مدرن

1. از اصطکاک آب تا انرژی “باززایی”.

یکی از آخرین دستاوردها در زمینه فناوری تریبوالکتریک، کار گروهی از دانشمندان به سرپرستی سیمون ملونی از دانشگاه فرارا (ایتالیا) است. آنها چیزی را توسعه دادند که آن را نانوژنراتور تریبوالکتریک اکستروژن نفوذی می نامند، سیستمی که با فشار مداوم آب به داخل و خارج از منافذ به اندازه نانومتر در سیلیکون متخلخل، الکتریسیته تولید می کند.

نوآوری کلیدی استفاده از مواد با سطوح داخلی بسیار بزرگ است: یک گرم از ساختار متخلخل می تواند مساحت داخلی معادل یک زمین فوتبال داشته باشد. در طول نفوذ و جابجایی آب در مقیاس نانومتری، هزاران چرخه تماس سطحی و جداسازی رخ می دهد – این همان چیزی است که باعث شارژ و جریان متناوب با مدار مناسب می شود.

محققان سطح را تغییر دادند تا آبگریز باشد، به این معنی که آب را دفع می کند و امکان تناوب قابل اعتماد نقاط تماس را فراهم می کند. نمونه اولیه به راندمان تبدیل انرژی حدود 9 درصد دست یافت که نتیجه مهمی در مراحل اولیه فناوری است. مکانیک محبوب

این رویکرد در پروژه Electrofusion Fusion که توسط اتحادیه اروپا تامین می شود، مورد بررسی قرار گرفته است. یکی از کاربردهای امیدوارکننده، کمک فنرهای احیا کننده برای وسایل نقلیه الکتریکی است که می تواند 5 تا 10 درصد از انرژی که معمولاً در اثر اصطکاک در حین رانندگی از دست می رود، بازیابی کند.

2. از لوازم الکترونیکی مصرفی تا سیستم های بزرگ

اگرچه TENG و فناوری‌های مشابه در حال حاضر در آزمایشگاه‌ها در حال توسعه هستند، پتانسیل استفاده از برق‌رسانی تریبوالکتریک بسیار زیاد است. دستگاه‌هایی که می‌توانند انرژی را از حرکات روزمره جمع‌آوری کنند – قدم‌های انسان، ارتعاشات ماشین، ارتعاشات سطحی – نشان داده‌اند که می‌توانند بدون نیاز به منبع انرژی خارجی، از کارکرد وسایل الکترونیکی کم مصرف، حسگرها و پوشیدنی‌ها پشتیبانی کنند.

بنابراین، در برخی از نمونه‌های اولیه، نانو ژنراتورهای تریبوالکتریک به کفش یا لباس دوخته می‌شوند و ضربه مکانیکی راه رفتن یا حرکت بازو، برق تولید می‌کند تا باتری‌های کوچک را شارژ کند یا حسگرهای بی‌سیم را تامین کند.

سایر زمینه های تحقیق شامل برداشت انرژی از ارتعاشات ماشین، حرکت طبیعی آب و سایر جریان های مکانیکی است که قبلاً انرژی هدر می رفت. به دلیل طراحی ساده و هزینه مواد نسبتاً کم، TENG ها می توانند منابع انرژی موجود را تکمیل کنند، به خصوص زمانی که اتصال به شبکه سنتی امکان پذیر نیست یا از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است.

محدودیت های علمی

با وجود وعده، سؤالات اساسی همچنان باز است. تا به حال، دانشمندان دقیقاً نمی‌دانستند که چرا و چگونه انتقال بار هنگام برخورد مواد در سطح میکروسکوپی اتفاق می‌افتد – این موضوع همچنان موضوع بحث در میان محققان فیزیک سطح است. طبیعت اثر الکتریکی شدن را به صورت تجربی توصیف می کند، اما مکانیسم انتقال الکترون و یون در مواد مختلف هنوز در حال تحقیق است.

علاوه بر این، عملکرد اجزای تریبوالکتریک هنوز به آنها اجازه نمی دهد تا با منابع برق سنتی در توان بالا رقابت کنند. این سیستم ها به جای جایگزینی ژنراتورها و باتری های معمولی، اکوسیستم انرژی را تکمیل می کنند. مسائل مربوط به دوام، پایداری و عملکرد طولانی مدت مواد در چرخه های مکرر نیز نیازمند بررسی بیشتر است.

قبلاً در مورد اینکه چه زمانی انرژی نامحدود خواهیم داشت نوشتیم.