Op bladeren geïnspireerde nanogeneratoren gebruiken regen en wind om duurzaam groene elektriciteit op te wekken

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Jan 17, 2024

(Nanowerk NieuwsWetenschappers hebben een innovatief nieuw apparaat ontwikkeld dat energie uit regendruppels en wind kan benutten en deze kan omzetten in bruikbare elektriciteit voor de stroomvoorziening van elektronica. Deze technologie, beschreven in een artikel gepubliceerd in ACS Duurzame Chemie & Engineering (“Multisource Energy Harvester on Textile and Plants for Clean Energy Generation from Wind and Rainwater Droplets”), biedt een duurzame manier om stroom op te wekken uit hernieuwbare omgevingsbronnen. Het zou kunnen helpen bij het mogelijk maken van zelfaangedreven netwerken van sensoren, datatransmitters en andere elektronische componenten die nodig zijn voor de Internet of Things (IoT). Onderzoekers onderzoeken verschillende benaderingen voor het oogsten van omgevingsenergie uit zonlicht, trillingen, warmteverschillen en andere bronnen. De meeste hebben zich echter geconcentreerd op afzonderlijke energietypen die niet continu beschikbaar zijn. De nieuwe studie demonstreert een geïntegreerd systeem dat een regendruppel-energie-oogstmachine combineert met een windenergie-oogstmachine voor een betrouwbaardere energieopwekking. “We hebben dringend gedistribueerde, schone en duurzame energieoplossingen nodig om de sensornetwerken te voeden die nodig zijn voor slimme infrastructuur en milieumonitoring”, zegt hoofdonderzoeker Ravinder Dahiya van Northeastern University. “De op bladeren geïnspireerde apparaten die we hebben ontwikkeld, kunnen de energie uit wind- en regendruppels effectief benutten om overal bruikbare elektriciteit op te wekken. Met verdere ontwikkeling kunnen kunstmatige bomen die deze technologie gebruiken, worden ingezet om passief hernieuwbare energie te produceren.” Het nieuwe systeem maakt gebruik van een gespecialiseerd nanogenerator met één laag ontworpen om de energie van vallende regendruppels op te vangen en een andere om windenergie te benutten. Beide lagen zijn gemaakt van duurzame textielmaterialen die zijn behandeld met geavanceerde nanocoatings om de elektrische output te verbeteren. Schematisch beeld van een kunstmatige bladvormige energiegenerator met meerdere bronnen Schematic image of artificial leaf-shaped multisource energy generator. (© ACS) The droplet energy harvesting functionality works via a mechanism called the triboelectric effect combined with a self-restoring hydrophobic surface coating. Essentially, the kinetic energy of falling droplets causes positive and negative charges to form on separate electrodes. The water-repelling coating makes the droplets spread out and contract cyclically on impact, shuttling electrons back and forth to generate current. The wind harvesting layer operates by a similar principle, but charges are generated by contact electrification between two textile layers as air currents cause them to repeatedly touch and separate. Integrating the two nanogenerators allows the device to passively produce electricity from whatever ambient mechanical energy is available at a given time. In testing, the hybrid textile nanogenerators produced voltage spikes over 100V from simulated raindrops, along with sustained outputs over 10V from light winds. This was enough power to light up arrays of LEDs and charge energy storage capacitors. The researchers also developed an analytical model to optimize design parameters such as droplet size, impact velocity, contact pressure and surface textures. “The presented leaf-shaped harvesters effectively integrate triboelectric and droplet-based electricity generation mechanisms to scavenge multiple ambient energies,” stated Dr. Dahiya. “Both the modeled and measured outputs indicate they could reliably power sensors, data transmission circuits and other electronics needing up to tens of microwatts.” Significantly, all active materials are sustainable, biodegradable textiles and nanostructured coatings. In contrast with lithium batteries, there are no toxic components to dispose of. This makes the technology especially promising for distributed generator networks in environments where maintaining infrastructure is difficult. The authors envision enhancements such as hydrophobicity-optimized “power leaves” that could be incorporated into artificial plants and deployed anywhere for continuous passive generation of useful electricity. Arrays of such plants could for instance provide trickle charging to keep battery-powered IoT devices perpetually operational.
More broadly, this study demonstrates how applied nanoscience can create self-powered systems that solve pressing problems. It shows that materials and devices can do far more than passively behave—they can actively transform ambient energy into precisely what is needed, all without external power. Such technologies point the way toward smarter, more adaptive and more sustainable infrastructure for meeting future challenges.