Кручёные нити из нанотрубок позволят приборам работать без батарей

Фотография "пряжи" из углеродных нанотрубок, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Фото University of Texas.

Строение углеродной нанотрубки.

Иллюстрация Wikimedia Commons.

Казалось бы, мир вокруг нас полон свободной энергии, которую можно аккумулировать и использовать для питания различных приборов. Почему бы не заряжать телефон за счёт вибраций нашего собственного тела, возникающих во время ходьбы или бега, а фонарь морского буя от энергии волн? До сих пор главная проблема заключалась в высокой стоимости и низкой эффективности генераторов, способных преобразовывать такую энергию в электричество.

Но, похоже, что новое изобретение большой международной команды инженеров, поможет в будущем изменить ситуацию к лучшему. Тончайшие кручёные нити из нанотрубок обладают самым высоким коэффициентом полезного действия среди всех предыдущих решений, направленных на сбор энергии от различных видов колебаний.

Сразу стоит оговориться, что подобные приспособления всё ещё далеки от того, чтобы питать мощные приборы. Но они необходимы для решения очень важной задачи: обеспечить бесперебойную работу удалённых беспроводных устройств, замена батарей в которых становится настоящей головной болью. Речь идёт о всевозможных сенсорах, сигнальных огнях и передатчиках, установленных в труднодоступных местах, вдали от обширных электросетей.

Рэй Богман (Ray Baughman) из Техасского университета и его коллеги из США, Китая и Южной Кореи использовали углеродные нанотрубки, которые представляют собой свёрнутый в цилиндры графен. Ранее такие структуры использовались для создания транзисторов, суперконденсаторов и даже искусственных мышечных волокон.

Учёные сплели из нанотрубок очень тонкие и прочные нити, которые затем многократно скручивали в эластичную пряжу, получившую название "твистрон" (twistron). Для того чтобы превратить эти волокна в устройство для сбора электричества, их необходимо погрузить в ионопроводящий электролит или покрыть им. В качестве электролита может выступать, например, морская вода.

"По сути, эта пряжа является суперконденсатором, — объясняет соавтор работы На Ли (Na Li). — В обычный конденсатор заряд поступает, к примеру, от батареи. Но в нашем случае, когда вы помещаете нити из углеродных нанотрубок в ванну с электролитом, они заряжаются самим электролитом и никакой внешний источник питания им не требуется".

Конечно же, дело не только в электролите (иначе получился бы вечный двигатель), но и во внешнем воздействии на нити. Для демонстрации работы своего изобретения учёные закрепили один конец углеродного волокна на морском буе, а другой на лежащем на дне грузе. Когда буй качается на волнах, нить растягивается и снова скручивается. Во время растяжения нитей заряды, "нанизанные" на них, сближаются, а напряжение увеличиваются настолько, что собранную энергию можно пустить в дело.

В ходе лабораторных экспериментов команда показала, что кусок инноваионной "пряжи" весом менее обыкновенной мухи может при каждом растяжении зажигать небольшой светодиод.

Исследователи также внедрили новый материал в рубашку, которая стала генерировать электрический сигнал, растягиваясь и сжимаясь в ходе цикла дыхания человека. Этого электричества всё ещё недостаточно, чтобы заряжать смартфон, но зато такая одежда может быть использована в качестве беспроводного датчика для регистрации частоты вдохов.

Строение углеродной нанотрубки.

В пресс-релизе университета Техаса особо подчёркивается, что, несмотря на высокую стоимость производства волокна, продемонстрированная технология имеет огромный потенциал для масштабирования.

"Если бы наши твистроны были дешевле, они могли бы в конечном итоге собирать огромное количество энергии волн океана, — объясняет Богман. — Однако в настоящее время они больше всего подходят для питания датчиков. На основании средней выходной мощности, волокно весом 31 миллиграмм может произвести энергии достаточно для того, чтобы каждые десять секунд передавать двухкилобайтный пакет данных на дистанцию сто метров".

Более подробно с результатами исследования можно познакомиться в статье, опубликованной в журнале Science.