DESY ve Hamburg Teknoloji Üniversitesi‘nden bilim insanlarının yer aldığı Avrupalı bir araştırma ekibi, suyu nanoporöz silikonun içine ve dışına iterek elektrik üreten, yeni gösterimi yapılmış bir triboelektrik nanojeneratörü tanıttı. Ekibin çalışması, sensörler ve diğer düşük güçlü cihazlar için pilsiz enerjiye doğru atılmış önemli bir adımı işaret ediyor.
Araştırmacılar, basit bileşenlerin, silikon ve su, mekanik basınç ve sıvı hareketinin boşa harcanan enerji yerine güvenilir bir elektrik kaynağı olarak hizmet edip edemeyeceğini keşfetmek üzere yola çıktı. Ortaya çıkan sonuç, nanometre cinsinden ölçülen gözeneklerden geçen su akışını kullanan, nano yapılı silikon etrafında inşa edilmiş bir triboelektrik jeneratör oldu.
Cihazın merkezinde aynı anda üç özelliğe sahip olacak şekilde tasarlanmış bir silikon yapı bulunuyor: Elektriksel olarak iletken, nano ölçekli gözeneklerle dolu ve hidrofobik. Silikonu iletken hale getirmek mikroelektronikte sıradan bir işlem olsa da, söz konusu özelliği kontrollü bir nanoporöz mimari ve su itici yüzeylerle aynı malzeme parçasında birleştirmek kilit bir ilerleme sayılıyor.
Bahsi geçen kombinasyon, ekibin suyun gözenek ağına nasıl girdiğini, içinde nasıl hareket ettiğini ve nasıl çıktığını şekillendirmesine olanak tanıyor; ilgili durum da triboelektrik etkiyi stabilize ederek sistemi kırılgan bir laboratuvar merakı olmaktan çıkarıp ölçeklenebilir hale getiriyor.
Enerji dönüşüm mekanizması olarak, bir kişinin halı üzerinde yürüyerek yük toplamasına ve ardından başka bir nesneyle temas ettiğinde küçük bir kıvılcımla yükü boşaltmasına neden olan etki ailesinin aynısı, yani triboelektriklenme kullanılıyor fakat burada hareketli faz katı bir ayakkabı tabanı değil, bir sıvı. Su, basınç altında minik gözeneklerin içine ve dışına zorlandıkça katı silikon yüzeylere sürtünerek sıvı-katı arayüzünde yük transferi sağlıyor. Cihaz mimarisi, arayüzey yükünü yakalamak ve dağılmasına izin vermek yerine kullanılabilir elektrik çıktısına dönüştürmek üzere tasarlandı.
Araştırma ekibinin çarpıcı iddialarından biri, triboelektrik jeneratörlerin ilgili sınıfı için yaklaşık yüzde 9‘luk bir dönüşüm verimliliğine ulaşılması. Benzer sistemler için şimdiye kadar bildirilen en yüksek oran olan değer, pratik açıdan bakıldığında, suyu gözeneklerin içine ve dışına sürmek için kullanılan mekanik enerjinin nispeten büyük bir kısmının cihaz terminallerinde elektrik enerjisi olarak ortaya çıktığı anlamına geliyor.
Genellikle düşük veya tutarsız verimlilikle mücadele eden triboelektrik sistemler için sözü edilen eşiği aşmak büyük önem taşıyor; çünkü konsepti sensörler ve düşük güçlü elektronikler için gerçek dünya güç bütçelerine yaklaştırıyor.
Araştırmacılar teknolojiyi, doğrudan çevrelerinden güç alan otonom, bakım gerektirmeyen sensör sistemlerine giden bir yol olarak konumlandırıyor. Su tespiti, akıllı tekstillerde spor ve sağlık takibi ve dokunma veya hareketin algılama için gereken elektrik sinyalini ürettiği haptik robotik gibi uygulamalar öne çıkıyor.
Anılan senaryolarda jeneratör, halihazırda harekete veya basınca maruz kalan yüzeylere veya yapılara entegre edilebilir; böylece potansiyel olarak pillere veya kablolu güce olan ihtiyaç ortadan kalkarken bakım yükü de azalır.
Ekip, araç süspansiyon sistemlerini bir örnek olarak gösterdi. Bir tekerlek yuvasının içinde, şoklar ve titreşimler zaten mekanik hareket ve basınç değişiklikleri yaratır. Ortama bir silikon-su triboelektrik modülü yerleştirmek, suyu nanoporöz ağdan itmek için döngüsel sıkıştırma ve gevşemeye izin verecek, aksi takdirde boşa giden mekanik gürültüyü performans, aşınma veya güvenlik koşullarını izleyen yerel sensörler için güce dönüştürecektir.
Çalışmanın dikkat çekici bir yönü, egzotik bileşikler yerine bol miktarda bulunan, iyi anlaşılmış malzemelere dayanması. Cihaz, elektronik endüstrisinde en yaygın kullanılan yarı iletken olan silikonu ve Dünya üzerindeki en yaygın sıvı olan suyu kullanıyor. Seçimler sadece felsefi değil, üretim ve maliyet açısından da kritik rol oynuyor.
Hamburg liderliğindeki proje, rutin hareketlerden ve çevresel akışlardan küçük miktarlarda enerji hasadı yapmaya yönelik daha geniş bir araştırma dalgası içinde yer alıyor. Örneğin Fransa‘da öğrenciler, istasyon ekranlarını çalıştırmak için yolcu trafiğinden yeterli güç üreten metro turnikeleri inşa etti.
Başka bir çalışmada, uluslararası bir ekip, yavaş rüzgar su damlacıklarının üzerinden geçtiğinde üretilen enerjiden yararlanma yöntemlerini gösterdi ve ince sıvı dinamiklerini bir güç kaynağına dönüştürdü. Paralel gelişmeler ortak bir yöne işaret ediyor: Günlük mekanik ve sıvı hareketini arka plan gürültüsü yerine bir enerji kaynağı olarak ele almak.
