Von unseren Schritten bis zu unseren Knopfdrücken verbrauchen Menschen ständig Energie, und Forscher nutzen diese Bewegungen, um die Welt um uns herum mit Strom zu versorgen.
Die Energiegewinnung aus der Umgebung oder aus Aktivitäten statt aus einer Batterie oder einer Steckdose hat einige entscheidende Vorteile: Die Stromquellen sind kostenlos und die Geräte mobiler. Dies ist besonders nützlich für medizinische Elektronik wie Insulinpumpen und Herzschrittmacher. Energy Harvester könnten auch die Akkulaufzeit in Smartphones und Laptops verlängern.
Die Idee ist nicht neu. Kristallradios zum Beispiel gibt es seit Beginn des 20.Jahrhunderts und benötigen keine dedizierte Stromquelle, da sie Strom aus Radiowellen abfangen. Aber aktuelle Energy-Harvesting-Strategien sind nicht sehr effizient, und die Energie in unserer Umwelt ist weit verbreitet, was bedeutet, dass helle Lichter, große Temperaturgradienten oder lange, lebhafte Spaziergänge benötigt werden, um eine nennenswerte Menge an Energie zu produzieren, die immer noch nicht sehr viel sein kann.
Jetzt erforschen Forscher neue Wege, um die Ernteeffizienz zu steigern und die Kosten zu senken. Entwickler machen auch Elektronik, die viel weniger Strom verbrauchen, so dass eines Tages Ihr Telefon auf dem Rascheln in der Tasche und ein paar Fingertipps laufen kann, wenn Sie einen Anruf tätigen.
Am Lawrence Berkeley National Laboratory demonstrierten Wissenschaftler letzten Monat ein Gerät, das Viren verwendet, um Druck in Elektrizität umzuwandeln. Die Vorrichtung beruht auf Piezoelektrizität, einem Phänomen, bei dem eine elektrische Ladung in einem Material erzeugt wird, wenn es mechanisch verformt oder beansprucht wird. In diesem Fall verwendete das Team ein manipuliertes M13-Virus, das typischerweise Bakterien infiziert, um das Material herzustellen.
Der Spaß beginnt bei 50 Nanoampere
Das Gerät kann 6 Nanoampere Strom und 400 Millivolt Potential erzeugen, etwa ein Viertel der Leistung einer Triple-A-Batterie und genug, um kurz eine kleine monochrome Flüssigkristallanzeige mit einem Quadratzentimeter großen Generator zu aktivieren, wenn sie gedrückt wird. Die Forscher veröffentlichten ihren Bericht in Nature Nanotechnology.
Ramamoorthy Ramesh, ein Forscher in der materialwissenschaftlichen Abteilung am LBNL und einer der Mitautoren des Berichts, erklärte, dass Viren sich selbst reproduzieren und Strukturen im Nanometerbereich bilden können, was sie zu einer attraktiven kostengünstigen Alternative zu herkömmlichen piezoelektrischen Geräten macht, die teure oder giftige Chemikalien verwenden können. Das Virusmaterial kann auch auf eine Oberfläche gesprüht werden, wodurch jede Wand oder jeder Boden möglicherweise durch Schritte und Vibrationen in einen Energie-Harvester verwandelt wird.
Im Moment ist der Virengenerator zu schwach, um eine praktische Leistung bereitzustellen, obwohl die Forscher Verbesserungen vornehmen und sagen, dass sie nicht weit von einem nützlichen Produkt entfernt sind.
„Wenn wir 50 zu 70 kommen, dann ist Rock ’n‘ Roll Zeit. Dann macht es viel Spaß „, sagte Ramesh.
Forscher im Vereinigten Königreich haben kürzlich auch einen piezoelektrischen Generator entwickelt, eine Knieorthese, die Elektronen vom Gehen abhält. Wenn sich das Knie des Trägers beugt, werden vier Metallschaufeln im Gerät „gezupft“, die dann wie eine Gitarrensaite vibrieren und Strom erzeugen.
Derzeit produziert das Gerät etwa 2 Milliwatt Leistung, aber die Forscher erwarten, mit ein paar Verbesserungen 30 Milliwatt zu erreichen.
Michele Pozzi, der leitende Forscher des Projekts und Forschungsstipendiat für Energy Harvesting an der School of Applied Sciences der Cranfield University, sagte in einer Pressemitteilung, dass er erwartet, dass das Gerät £ 10 pro Einheit kostet, wenn die Produktion hochgefahren wird. Die Ergebnisse wurden Anfang dieses Monats in Smart Materials and Structures veröffentlicht.
Aber kann es einen Fernseher mit Strom versorgen?
Selbst bei den Energy Harvestern auf dem Markt besteht die große Hürde darin, genügend nutzbaren Strom zu erhalten, um einen Sensor, eine Lampe oder einen Bildschirm mit Strom zu versorgen. Dies bedeutet, dass mehr Strom produziert wird, als das Gerät benötigt, damit es genug Speicher hat und konstant betriebsbereit bleibt.
„In einigen Fällen ernten Sie möglicherweise nur ein Mikrowatt oder so“, sagte David Freeman, Cheftechnologe in der Power Supply Solutions Group bei Texas Instruments. „Wenn Ihr Gerät ein Mikrowatt benötigt, tun Sie nichts für irgendjemanden.“
Für Texas Instruments besteht die Lösung darin, Geräte herzustellen, die weniger Strom verbrauchen, und Erntemaschinen effizienter zu machen.
„Es ist nur innerhalb der letzten drei, vier oder fünf Jahre, dass die gemeldeten genug Strom, um nützlich zu sein und die Energie der Geräte waren niedrig genug, um zu arbeiten“, sagte Freeman.
Eine mögliche Anwendung für Erntemaschinen ist der Bau von Sensoren, die die Luftqualität überwachen können. Betreiber können diese Informationen drahtlos sammeln, um ihre Räume effizient zu heizen oder zu kühlen. „Das Ziel für die meisten dieser Anwendungen ist’Peel-and-Stick'“, erklärte Freeman und stellte fest, dass der beste Ort für einen Sensor weit weg von jeder elektrischen Verkabelung sein kann. Solche Standorte können auch schwer zu erreichen sein, so dass ein häufiger Batteriewechsel zu unpraktisch wäre, was sie ideal für Erntemaschinen macht.
Zu diesem Zweck stellt das Unternehmen integrierte Schaltungen und Mikroprozessoren her, die viel weniger Energie benötigen.
„Jede Generation verbraucht weniger Strom als die Generation davor“, sagte Freeman. „Wenn wir die von diesen Geräten benötigte Leistung weiter senken, wird das Ernteteil praktischer.“
Laut Freeman sind kleine Photovoltaikmodule die dominierende Erntetechnologie, da Vibrations- und Funkerntemaschinen noch nicht genug Strom aufnehmen, um sowohl den Sensor als auch den Sender zu betreiben. Das Unternehmen hat kürzlich einen Prototyp einer drahtlosen Tastatur entwickelt, die mit Innenbeleuchtung betrieben wird und deren Akkulaufzeit der Lebensdauer des Geräts entspricht, etwa drei bis fünf Jahre. Darüber hinaus entwickelt Texas Instruments Sensoren zur Überwachung von Industrieanlagen und Fahrbahnen, bei denen die regelmäßigen Bewegungsfrequenzen möglicherweise besser für Vibrationserntemaschinen geeignet sind.
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