Еластичен термогенератор имитира ивиците на зебра

Ивиците на зебрата вдъхновиха корейски учени да създадат ефективен термогенератор
(снимка: Korea University)

Търсенето на ефективни начини за генериране на енергия занимава все повече изследователски екипи по целия свят. Една особено интересна разработка в тази област е дело на учени от Корейския институт – те са създали носим еластичен генератор, вдъхновени от… зебрите.

Потребителската електроника и уредите, както и самите хора, генерират топлина, която обикновено се разсейва в околната среда. Термоелектрическите генератори (TEG), които преобразуват температурните разлики в електричество, са известни отдавна. Но сега изследователи от Корея са успели да създадат мек и гъвкав термоелектрически генератор на базата на полимер, който освен това може напълно да се разложи под въздействието на околната среда.

За разлика от традиционните термоелектрически устройства, новият генератор може лесно да бъде интегриран върху платнена основа. Това позволява създаване на захранвани с топлина сензори за носене на тялото или маски за лице за еднократна употреба, които могат да измерват температурата, разказва за иновацията изданието Spectrum на IEEE.

Проблеми на традиционните TEG 

При TEG потокът от заряди между горещи и студени области води до потенциална разлика и генериране на електрически ток. Такива генератори се изработват по различни начини от различни материали. Обикновено това е устройство, едната страна на което остава студена, а другата е в контакт с източник на топлина.

Най-често TEG устройствата са „твърдотелни” (полупроводникови), без движещи се части, поради което са много издръжливи и изискват минимална поддръжка. Досега такива устройства са правени от сравнително скъпи и понякога токсични полупроводникови материали като бисмутов телурид и оловен телурид и се използват най-вече в нишови приложения като космически кораби и сателити.

Така например, екип от учени наскоро разработи технология за генериране на електричество в космоса чрез поставяне на материал, който излъчва топлина върху друг материал, който пък абсорбира топлината от въздуха в космическия кораб.

Изследователите отдавна се стремят да намалят разходите и да увеличат ефективността на TEG генераторите, но материалите и дизайните, използвани за направата им, водеха до създаване на сложни и неефективни устройства, които са обемисти и трудни за инсталиране с други компоненти, казва Янг Мин Сонг, професор по електроинженерство и компютърни науки в Корейския институт за наука и технологии.

Вдъхновение от зебрите

Сонг и колегите му решават да изоставят традиционния „двупосочен” подход. Вместо това те използват модел, вдъхновен от „раираните” зебри, за да създадат температурна разлика между ивиците, която е достатъчно голяма, за да генерира електричество.

Бял лист, направен от гъвкав и биоразградим поликапролактонов полимер, който обикновено се използва за хирургически импланти и конци, е равномерно покрит с ивици от черен полимер. Белите ивици отразяват слънчевата светлина и излъчват топлина в инфрачервения диапазон, докато черните ивици, напротив, абсорбират. Така редуващите се черни и бели ивици създават топли и студени зони върху еластична полимерна основа.

Раираният лист се поставя върху така наречената „силициева наномембрана”. Това е масив от вълнообразни полупроводникови нанопроводници, благодарение на които те могат да бъдат разтегнати, без да се счупят.

Иновативният термоелектрически генератор, вдъхновен от зебрите
(илюстрация: Korea University)

При тестване на открито в слънчев ден белите ивици стават с 8°C по-студени, а черните ивици с 14°C по-топли от температурата на околната среда, създавайки максимална температурна разлика от 22°C. Нанопроводниците преобразуват тази температурна разлика в електрическа енергия, генерирайки максимална мощност от около 6 микровата на квадратен метър (µW/m²).

Това е достатъчно за сензори с ниска мощност, но със сигурност не е идеално за търговски приложения, според Сонг. Използването на по-ефективни термоелектрически материали би увеличило изходната мощност, но основните предимства на устройството – евтино, еластично и биоразградимо – ще бъдат загубени.

„Дори когато образецът беше разтегнат около 1,3 пъти, производителността на генерацията се запази”, споделя Сонг. В лабораторни условия устройството напълно се разтваря в безвредни странични продукти за 35 дни, когато се постави във физиологичен разтвор. Според корейския учен обаче, подобна деградация в естествената среда ще отнеме повече време.