Te buty zostały stworzone do generowania energii

James Wimshurst był XIX-wiecznym inżynierem i wynalazcą, który opracował fascynującą maszynę do generowania wysokich napięć. Maszyna, która teraz nosi jego imię, składa się z dwóch przeciwbieżnych dysków wyposażonych w metalowe łatki.

Dyski stykają się z dwiema metalowymi szczotkami połączonymi z parą metalowych kulek oddzielonych niewielką szczeliną. Szczotki pobierają ładunek z dysków, który gromadzi się na kulach, tak że w końcu iskra przeskakuje między nimi. Mechanizmem ładującym kulki jest indukcja elektryczna, która wzmacnia każdy niewielki ładunek na metalowych łatkach.

W XIX i na początku XX wieku fizycy i inżynierowie używali maszyn Wimshursta i podobnych urządzeń do zasilania maszyn rentgenowskich, a nawet akceleratorów cząstek. Ale dziś te maszyny są rzadkie, używane tylko w muzeach nauki i salach lekcyjnych, aby zademonstrować zasady elektrostatyki.

Dziś może się to zmienić dzięki pracy Marii Napoli i jej kolegów z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, którzy na nowo wynaleźli maszynę Wimshursta na miarę XXI wieku. Ci ludzie stworzyli wersję mikroprzepływową, która może zbierać energię ze środowiska i przekształcać ją w energię użytkową.

W nowym urządzeniu kropelki rtęci w oleju przepływają przez kanał wyrzeźbiony w arkuszu tworzywa sztucznego PDMS (polidimetylosiloksan). Kanał przenosi kropelki rtęci obok siebie w przeciwnych kierunkach, podobnie jak tarcze przeciwbieżne w konwencjonalnej maszynie Wimshursta.

Elektrody osadzone w kanale mikroprzepływowym odprowadzają ładunek podczas jego narastania. Ale zamiast tworzyć iskry, ten ładunek może być użyty jako moc. Napoli i spółka obliczyli, że obwód w skali centymetra z kanałami o szerokości zaledwie 300 mikrometrów, z kroplami rtęci przepływającymi z prędkością 10 milimetrów na sekundę, może generować około 12 mikrowatów energii.

Zespół zbudował urządzenie sprawdzające zasadę działania, aby przetestować pomysł. Mikroprzepływowa maszyna Wimshursta składa się z głównego kanału o długości zaledwie pięciu centymetrów, w którym znajduje się kilka milimetrów sześciennych rtęci. Generuje niewielki ułamek teoretycznej mocy maksymalnej — zaledwie cztery nanowaty.

Ale to nie peszy zespołu. Mikroprzepływy umożliwiają szereg ulepszeń, które nie są możliwe w przypadku urządzeń półprzewodnikowych, takich jak zmiana szerokości i separacji kanałów oraz lepsze kontrolowanie wielkości i rozmieszczenia kropel.

Obliczenia wskazują, że proste ulepszenia geometrii powinny być w stanie zwiększyć moc wyjściową urządzenia jednokanałowego nawet o trzy rzędy wielkości.

Co więcej, kilka kanałów można łatwo uruchomić szeregowo lub równolegle, aby generować jeszcze więcej mocy. Dużą zaletą tego rodzaju urządzenia mikroprzepływowego nad innymi zbieraczami energii jest to, że nie musi działać z częstotliwością rezonansową.

Napoli i wsp. badają potencjalną moc wyjściową tego rodzaju urządzenia napędzanego pompą membranową w pięcie buta. Zakładając, że człowiek może chodzić z szybkością jednego kroku na sekundę, pompa o średnicy dwóch centymetrów może zapewnić wystarczający przepływ dla 250 równoległych kanałów mikroprzepływowych, które razem dałyby moc około 10 miliwatów, powiedzmy Napoli i spółka.

To w przybliżeniu wystarcza do zasilania lasera w napędzie DVD i obiecująca ilość dla różnych obecnie opracowywanych urządzeń komunikacyjnych o niskim zużyciu energii i czujników.

Są zatem dobre powody, by oczekiwać, że powiększona wersja naszego prototypowego urządzenia może być przenośna, praktyczna i wystarczająco mocna do różnych zastosowań pozyskiwania energii, podsumowują.

Oczywiście czekają nas wyzwania. Ważnym pytaniem jest trwałość takiego urządzenia, biorąc pod uwagę łomot, z jakim botki przechodzą przez całe życie. Ale to jest kwestia rozwojowa, nad którą zespół może pracować.

Być może nie minie dużo czasu, zanim najlepszym sposobem na naładowanie telefonu będzie założenie pary pompek i bieganie. Wimshurst z pewnością byłby zdumiony.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1803.02454 : Zbieranie energii za pomocą mikroprzepływowej maszyny ciekło-metalowej

ukryć