Forskare från Case Western Reserve University leder utvecklingen av ett "smart förpackningssystem" för att övervaka temperaturfluktuationer, fuktförändringar och patogener i färskvaror under transport.
Deras energieffektiva tillvägagångssätt kan erbjuda en mer kostnadseffektiv leveranskedja för distributörer, besparingar för livsmedelsproducenter och livsmedel av högre kvalitet för konsumenterna.
"Om det här fungerar bra kommer alla att gynnas", säger Chanyong (Chase) Cao, biträdande professor i mekanisk och rymdteknik samt el-, dator- och systemteknik vid Case Western Reserve, som leder forskargruppen. "Ungefär en tredjedel av all mat som produceras för mänsklig konsumtion försvinner eller går till spillo — ungefär 1,3 miljarder ton mat varje år. Vår lösning kan avsevärt minska förstörelsen, minska kostnaderna och säkerställa livsmedelssäkerheten."
Teamets forskning publicerades nyligen online i tidskriften Nano Energy .
En central funktion i deras system är en liten, självförsörjande övervakningsenhet som består av flexibla sensorer och en energiskördare som använder torkmedel – de små paketen med kiselgelpellets som finns i förpackningen för att absorbera fukt – för att utnyttja och lagra omgivande energi. I detta system genereras energin från vibrationerna från själva matbilen.
Denna energi driver ett övervakningssystem i realtid som skulle förse livsmedelsproducenter och transportpersonal med digital data om temperatur, fukt och förstörelseförhållanden för den förpackade maten.
För att få detta att hända kom Cao och hans team på vad de kallar en torkmedelsbaserad triboelektrisk nanogenerator (D-TENG) för att förlänga serveringstiden för avkänningssystemet.
Triboelektriska nanogeneratorer är vilken energiskörd som helst som omvandlar mekanisk energi – ofta mellan två objekt som glider mot varandra – till elektricitet.
Teamet designade en kartongbaserad bikakeram för att lagra torkmedelsmaterialen – som nu också används för att skapa elektricitet när de studsar runt inuti bikakan.
Cao sa att medan vissa moderna transportföretag redan använder sensorer för att registrera temperatur, luftfuktighet och koldioxid, är de traditionella batterierna som krävs för att driva dessa system dyra, tunga och kan bidra till miljöföroreningar. Många av dessa system tillhandahåller inte realtidsdata för att upptäcka matförstöring, sa Cao. Befintliga små, bärbara system kan bara upptäcka miljöförhållanden inom en mycket begränsad period.
Teamets tillvägagångssätt ligger i linje med Världsbankens föreslagna lösningar på matsvinn, som inkluderar bättre teknik för att lagra och hålla färskvaror färska i leveranskedjan. Även om Cao och hans team inte har tagit upp hur man bättre kan kyla lättfördärvlig mat under transport i det här projektet, skulle de ta sig an den första uppgiften att identifiera när och vad som kan gå fel.
Teamet håller nu på att montera en fungerande prototyp; Cao sa att han hoppas kunna skala upp produktionen och börja marknadsföra den under de kommande fem åren.
Cao och hans team fokuserar på att upptäcka och förhindra livsmedelsförstöring, men han tror att tekniken också kan ge fördelar för leverans av vacciner. Systemet kan ge företag och statliga myndigheter korrekt realtidsinformation om temperaturen på dessa kritiska försändelser.
Mer information: Yaokun Pang et al, Toward self-powered integrerat smart förpackningssystem − Torkmedelsbaserade triboelektriska nanogeneratorer, Nano Energy (2023). DOI:10.1016/j.nanoen.2023.108659
Journalinformation: Nanoenergi
Tillhandahålls av Case Western Reserve University
