Forskare vid University of Alabama i Huntsville (UAH) har skapat en ny typ av triboelektrisk nanogenerator (TENG) som producerar elektricitet genom användning av kalkstensspackel, vilket lovar avsevärda kostnadsbesparingar jämfört med konventionella tillverkningsmetoder.
TENGs uppfanns 2012 och är små enheter som omvandlar mekanisk eller termisk energi till elektricitet för användning i små, trådlösa autonoma enheter som de i bärbar elektronik, tillståndsövervakning och trådlösa sensornätverk. Exempel är implantat för hjärtmonitorer, biochip-transpondrar för lantbruksdjur eller sensorer som varnar en förare när däcktrycket är lågt.
TENGs skördar kraft för dessa enheter genom att överföra en elektrisk laddning mellan två objekt när de kommer i kontakt med eller glider mot varandra, genom rörelser som gång, vibrationer, roterande däck, rörlig vind eller strömmande vatten, allt med mycket liten påverkan på miljön.
Jämfört med befintliga TENGs, som använder dyra nanoteknikbaserade tillverkningsmetoder, är UAHs genombrott en ny typ av TENG som använder "klibbiga" material som dubbelhäftande tejp eller kalkstensspackel för att generera en laddning, vilket gör det mycket mer kostnadseffektivt och enklare att bygga.
"Traditionella TENG kräver nanoteknikbaserad tillverkning och annan specialutrustning," påpekar Dr Gang Wang, docent i mekanisk och rymdteknik vid UAH, en del av University of Alabama System. "Endast färdigheter på hantverksnivå behövs för att bygga vår triboelektriska energiskördare."
Genombrottet beskrivs i detalj i en artikel publicerad i tidskriften ACS Omega . Wangs medförfattare vid UAH inkluderar Dr. Moonhyung Jang, en postdoktorand forskningsassistent, Sean P. Rabbitte, en forskarassistent på grundnivå, och Dr. Yu Lei, ordförande och docent i kemi- och materialteknik.
Forskningen är en del av Department of Defense (DOD) Small Business Innovation Research (SBIR), ett initiativ som stöder statligt finansierade kontrakt eller bidrag som uppmuntrar inhemska småföretag att engagera sig i federala forsknings- och utvecklingsprojekt med potential för kommersialisering.
"Vår industriella partner är Materials Sciences, LLC, och Dr. Simon Chung är projektledaren," säger Wang. "Vi har redan lämnat in ett patent för den triboelektriska energiskördande designen med hjälp av limskikt."
UAH:s nya tillämpning av ett kalkstensbaserat monteringsspackel, tillsammans med en metalliserad polyesterskiva, utökar också den operativa frekvensbandbredden jämfört med befintliga TENG. Detta är viktigt eftersom vissa små energiskördande applikationer, såsom hälsoövervakning och bärbara exoskelettsystem, kräver en bredare frekvensbandbredd för att samla in energin från mänsklig rörelse.
"Typiska kontaktseparerande TENG:er fungerar vid en frekvens under 10 Hz," noterar Wang. "Men vi kan utöka bandbredden upp till 80Hz genom att introducera dessa triboelektriska lager i en vibrationsbaserad energiskördardesign. Efter den framgångsrika demonstrationen av TENG-designen med dubbelsidig tejp började vi utforska mindre klibbiga material för enklare separering av materialen Så här kom vi på idén att använda kalkstensbaserat spackel."
UAH-forskarna föreställer sig framtida undersökningar av kittbaserade generatorer för att utforska effektiviteten hos olika mineraler som marmor, sandsten och månjord.
Mer information: Moon-Hyung Jang et al, Power Generation by a Limestone-Contained Putty, ACS Omega (2023). DOI:10.1021/acsomega.2c07688
Journalinformation: ACS Omega
Tillhandahålls av University of Alabama i Huntsville
