„Lehetne használni az autópályák alatt, hogy áramot termeljen, amikor az autók áthaladnak rajta. Építőanyagokban is felhasználható lenne, áramot termelve, kihasználva az épületek rezgését” – idézi az Interesting Engineering Nikhil Koratkart, az egyik kutatót, aki az RPI professzora.
Sőt, a fólia segítségével a kutatók szerint még olyan testmozgásokból is lehet elektromos áramot előállítani, mint a tapsolás, a séta, a tánc, a kopogtatás és a futás. Mindez a piezoelektromos hatás kihasználásának képessége miatt lehetséges.
A New York-i Rensselaer Polytechnic Institute kutatói olyan polimerfilmet fejlesztettek ki, amely elektromos áramot termel, amikor megnyomják, összenyomják vagy megfeszítik. (Fotó: Rensselaer Polytechnic Institute)
A piezoelektromos hatás olyan jelenség, amely lehetővé teszi, hogy egy anyag a mechanikai energiát elektromos árammá alakítsa. Gyakori példa erre a fejhallgatóban lévő mikrofon, amely a hangot (egyfajta mechanikus rezgést) elektromos jellé alakítja át.
„A piezoelektromos anyagok lehetőséget mutatnak a mechanikai rezgésekkel kapcsolatos mindenütt jelenlévő, bőséges és megújuló energia kinyerésére. A legjobban teljesítő piezoelektromos anyagok azonban jellemzően ólmot tartalmaznak, amely rákkeltő anyag” – jegyzik meg a kutatók.
Mivel a leghatékonyabb piezoelektromos anyagok ólmot tartalmaznak, nem használhatók orvosi eszközökben, testérzékelőkben és különböző más módok esetében. „Az ólom mérgező, és egyre inkább korlátozzák és fokozatosan kivonják az anyagokból és eszközökből” – mondta Koratkar.
Ez az a pont, ahol az új anyag hatalmas változást hozhat. Speciális kalkogenid perovszkitokból áll – olyan anyagokból, amelyek perovszkit kristályszerkezetűek, és kalkogén elemeket (például ként) tartalmaznak. Ezeket az anyagokat kiváló fényelnyelő tulajdonságaik miatt napelemekben és más elektronikus eszközökben is használják, ami értékesnek teszi őket az energiával kapcsolatos felhasználás szempontjából.
A 0,3 milliméter vastagságú film a kénalapú perovszkitkristályok mellett báriumot és cirkóniumot is tartalmaz. Ólmot azonban nem, ami kívánatos piezoelektromos anyaggá teszi az alkalmazások széles skáláján, többek között orvosi eszközök és érzékelők számára.
„Lényegében az anyag a mechanikai energiát elektromos energiává alakítja”, anélkül, hogy mérgező anyagokat használna. „Minél nagyobb az alkalmazott nyomásterhelés és minél nagyobb a felület, amelyre a nyomást kifejtik, annál nagyobb a hatás” – magyarázta Koratkar. Ez a nem mérgező fólia csökkentheti az akkumulátoroktól és a fosszilis tüzelőanyagoktól való függőségünket, megkönnyítve ezzel a zöld energiára való átállást.
Képzeljük el például, hogy a járművek menet közben töltődnek, a közlekedési lámpák pedig az úton sétáló emberektől kapnak áramot.
Egyszerűen fogalmazva, a film nem más, mint egy csomó bárium-cirkónium-szulfid (BaZrS3) részecske, amelyet egy polikaprolakton (PCL) nevű polimerbe kevernek és zárnak be. Annak ellenőrzésére, hogy valóban képes-e áramot termelni, a kutatók érdekes kísérleteket végeztek. Különböző kéz- és testmozdulatokkal különböző mértékű feszültséget alkalmaztak a filmre, és a filmet egyenirányítóval összekötve megmérték a kimenő feszültséget. Míg a fólia a feszültséget váltakozó árammá (AC) alakította, az egyenirányító ezt az áramot egyenfeszültséggé változtatta.
„Szabályos gyaloglás, kocogás és futás esetén a kapott maximális egyenfeszültség ~21,2, ~40,4 és ~72 V volt, míg könyökhajlítás, taps és kézzel történő kopogtatás esetén ~5,3, ~10,4 és ~19,8 V” – jegyzik meg a kutatók tanulmányukban.
Ezt az áramot egy LED-tábla táplálására használták, sikeresen bizonyítva, hogy a nem mérgező fóliájuk valóban képes elektromos áramot termelni mechanikai feszültségből. „Ezek a tesztek azt mutatják, hogy ez a technológia hasznos lehet például egy olyan eszközben, amelyet futók vagy kerékpárosok viselnek, és amely megvilágítja a cipőjüket vagy a sisakjukat, és láthatóbbá teszi őket” – mondta Koratkar.
„Ez azonban csak a koncepció bizonyítása. Szeretnénk, ha az anyagot nagy léptékben is megvalósítanák, hogy valóban jelentős változást hozzon az energiatermelésben” – tette hozzá.
Kiemelt kép forrása: Rensselaer Polytechnic Institute
S.Rita
