Ученые из Висконсинского университета в Мадисоне придумали простой и недорогой способ преобразования ходьбы в полезную электроэнергию. Сюйдун Ван и его коллеги изобрели материал, который генерирует электричество, когда люди наступают на него.
Новый метод находит хорошее применение такому волокнистому полуфабрикату, как древесная масса. Перетертая древесина, которая уже находится в напольном покрытии, частично изготовлена из нановолокон целлюлозы. Они представляют собой крошечные волокна, которые после определенной химической обработки способны формировать электрический заряд, когда вступают в контакт с необработанными. Сюйдун Ван, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Висконсинском университете в Мадисоне и его аспирант Чуньхуа Яо опубликовали свою работу в Nano Energy 24 сентября.
Когда нановолокна встроены в пол, они могут генерировать электроэнергию, которая включает фонари и заряжает аккумуляторы. Поскольку древесные массы – дешевые, широко распространенные и возобновляемые отходы многих отраслей промышленности, новая технология может быть так же доступна, как и обычные напольные материалы.
Чтобы сделать это, исследователи извлекли нановолокна целлюлозы из древесной массы и разделили их на два слоя, один из которых химически обрабатывали, чтобы сделать положительно заряженным. Затем они заключали оба слоя в картон и прессовали их, чтобы получить жесткую доску.
Под давлением ноги, два слоя целлюлозы вступают в контакт и обмениваются электронами. Когда нога поднимается, электроны возвращаются, но проходят через внешнюю цепь, вырабатывая энергию. Один шаг на такую поверхность генерирует от 10 до 30 вольт и способен зажигать 35 зеленых светодиодов.
Существуют и другие аналогичные материалы для генерации «шаговой» энергии – керамика и металлы. Но они либо дорогостоящи, либо непригодны для повторного использования, либо непрактичны для применения в крупных масштабах.
В течение многих лет научно-исследовательский центр Вана тестировал различные материалы, чтобы максимизировать достоинства технологии, названной трибоэлектрическим наногенератором (TENG). Именно вследствие трибоэлектрического эффекта вырабатывается статическое электричество на одежде. Химически обработанные нановолокна целлюлозы – простая, недорогая и эффективная альтернатива для использования этого широко распространенного механического источника энергии.
Ученый верит, что технология TENG может быть легко внедрена во все виды напольных покрытий, как только она будет готова к продаже. Команда Вана теперь планирует построить и протестировать прототип в кампусе Висконсинского университета в Мадисоне в местах с большим потоком людей. В конечном счете они собираются предложить использовать «зеленые» половицы на вокзалах и в торговых центрах, где они могли бы питать фонари и датчики.
Результат команды Висконсинского университета в Мадисоне является последним достижением в области исследования природосберегающей и возобновляемой энергии, названной «придорожным сбором энергии». В некоторых ситуациях он мог бы составить конкуренцию солнечной энергии, так как не зависит от ясной погоды. Исследователи, которые изучают «придорожные» методы сбора и преобразования побочной энергии, рассматривают землю в качестве богатого, возобновляемого источника энергии, несмотря на ограниченные запасы ископаемого топлива.
«Ученые много работали над сбором энергии от деятельности человека. Один из способов заключается в том, чтобы построить что-то, чтобы поместить туда людей. Другой способ состоит в том, чтобы построить что-то, к чему у людей есть постоянный доступ. Земля является наиболее подходящим местом» — рассуждает ученый.
Если использовать эту технологию в местах интенсивного движения людей, например, на стадионах или в торговых центрах, мы получим значительное количество энергии. Каждая функциональная часть внутри такого покрытия состоит из двух материалов с разным зарядом, в том числе и нановолокна целлюлозы толщиной в один миллиметр или еще тоньше. Пол может состоять из нескольких слоев для того, чтобы получить на выходе больше энергии.
«Первый тест в нашей лаборатории показал, что технология работает на миллионах циклов без каких-либо проблем, — говорит Ван. Мы не конвертировали эти цифры в сроки службы настила, но я думаю, что с надлежащей конструкцией TENG легко переживет его (настил)».
Несмотря на все явные преимущества экологичной технологии, некоторые ученые скептически отнеслись к разработке Вана. Алистер Спроул из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее считает, что по сравнению с другими источниками возобновляемой энергии новый материал дает на выходе совсем небольшое количество энергии. «Если вы хотите привести общество в действие и сделать вещи эффективными, отправляйтесь за солнечной или ветровой энергией» — заявляет он.
Ван считает, что энергия шагов может служить дополнением к солнечной. «Концепция заключается в генерации электроэнергии из энергии, которая могла быть потрачена впустую. Она работает внутри зданий или под землей, куда солнечные лучи не проникают или их слишком мало» — отмечает он.
Теперь команда во главе с Ваном попытается доказать, что новые доски долговечны и экономически эффективны. Стоимость производства «энергетических» досок практически не отличается от обычных. Однако необходимы дополнительные расходы на замену существующего покрытия и установку нового.
«Наша технология не может заменить сбор солнечной энергии. Но мы считаем, что ее использование в качестве дополнения будет наиболее рентабельным по сравнению с другими технологиями, получающими энергию из шагов».
