Пироэлектрические наногенераторы: превращение отходного тепла в чистую энергию

Пироэлектрический эффект

Устройства от компьютеров до автомобилей до высоковольтных линий передачи теряют значительное тепло в окружающую среду. Пироэлектрический эффект — впервые отмеченный греческим философом Теофрастом, когда нагретый турмалин притягивал солому — конвертирует это потерянное тепло в электричество. Когда определенные материалы, такие как турмалин, нагреваются или охлаждаются, их молекулярная структура перестраивается, создавая электронный дисбаланс, который движет электрическим током.

Наногенератор

Исследователи Georgia Tech сконструировали пироэлектрический наногенератор (NG), собирающий отходное тепло через эксплуатацию температурных флуктуаций. Используя массив коротких оксид-цинковых нанопроводников, стоящих вертикально, устройство производит мощность всякий раз, когда оно нагревается или охлаждается, даже во время суточного температурного качеля.

Эти NG обещают самозапитанное будущее для нанотехнологий, позволяя беспроводные сенсоры, температурное изображение, медицинскую диагностику и персональную микроэлектронику, работающую на окружающем тепле.

Применения наногенераторов

Пироэлектрические наногенераторы могут стать краеугольным камнем потребительской электроники, захватывая тепло, которое иначе терялось бы. Они особенно ценны для низкотемпературных сред, таких как космические миссии, где они сохраняют производительность, когда обычные батареи не справляются.

Международное сотрудничество

Объединенная украинско-американская команда продемонстрировала тот же пироэлектрический принцип, используя ферроэлектрические нанопроводники. Эти крошечные структуры генерируют электрический ток в ответ на любое окружающее изменение температуры, превращая тепловые флуктуации в используемую энергию.

Пироэлектрические свойства

В ферроэлектрических нанопроводниках пироэлектрический коэффициент зависит от радиуса провода и связности. По мере уменьшения радиуса коэффициент растет до критического размера, где материал переходит в параэлектрическое состояние выше Кюриевой температуры. Этот «размерный эффект» позволяет настраивать температуры фазовых переходов, давая большой, регулируемый пироэлектрический ответ.

С выпрямляющими контактами, поляризованный ферроэлектрический нанопроводник может генерировать существенный прямой ток и напряжение при варьировании температур. Такое устройство, свободное от движущихся частей, может надежно работать длительные периоды в применениях от in-vitro биологических систем до открытого космоса.

Исследователи предвидят эти наногенераторы достигающими высокой эффективности при низких температурах, с падением производительности при росте окружающей температуры.

Power Felt Университета Wake Forest

Университет Wake Forest разработал Power Felt — гибкую термоэлектрическую ткань из углеродных нанотрубок, встроенных в пластиковые волокна. Используя температурные разницы — такую как комнатная температура против тепла тела — ткань генерирует электрический заряд.

Потенциальные использования Power Felt

Power Felt может питать или усиливать батареи в автомобильных сиденьях, изолировать трубы, собирать тепло кровельных плиток для снижения коммунальных счетов, мониторить спортивную производительность в одежде или оборудовании, и отслеживать здоровье пациентов, когда обмотана вокруг IV или раневых участков. В чрезвычайных ситуациях жакет с этим материалом мог зарядить мобильный телефон или питать погодную рацию, предлагая устойчивость при перебоях или авариях.

Со 72 сложенными слоями ткань сейчас дает около 140 нановатт мощности. Добавление больше нанотрубчатых слоев может снизить толщину при увеличении выхода, позволяя носимые устройства, собирающие тепло тела для питания электроники вроде iPod.