Электричество от трения и движения: как работает новый источник энергии

Большая часть энергии, которая окружает нас в повседневной жизни, тратится впустую: она рассеивается при движении, вибрации, контакте с поверхностями и обычном трении. Долгое время подобные потери считались слишком незначительными, чтобы приступать к их изучению.

Что такое трибоэлектрификация?

Трибоэлектрификация – это явление, при котором электроны или ионы перераспределяются между двумя материалами, когда они соприкасаются, трутся или разделяются. Это явление знакомо каждому: легкое прикосновение к поверхности стекла после трения может вызвать статический разряд, волосы возле стекла начинают «шевелиться», а одежда прилипает к телу при выходе из автомобиля – все это проявления трибоэффекта.

В физике этот процесс еще называют статистическим электричеством, и он лежит в основе остаточного заряда, который может накапливаться на поверхности материалов после механического взаимодействия. В последние годы инженеры активно исследуют способы преобразования этого заряда в полезную энергию.

Как трибоэффект становится источником энергии?

Основным инженерным инструментом практического применения трибоэлектрификации являются трибоэлектрические наногенераторы (ТЭНГ). Эти устройства используют контакт и разделение материалов для преобразования механической энергии в электрическую.

Принцип работы прост по задумке, но сложен в реализации: когда два материала с разной склонностью к захвату электронов соприкасаются, а затем разделяются, на их поверхностях возникает разность электрических потенциалов. Если за этими материалами следовать электроды, этот потенциал можно использовать для создания электрического тока.

Семь случайных научных открытий, изменивших мир раз и навсегда

ТЭНГ впервые привлекли широкое научное внимание в 2012 году, когда группа исследователей продемонстрировала потенциал таких устройств по сбору энергии из окружающих движений. С тех пор мощность и плотность выходной энергии значительно возросли за счет оптимизации материалов и конструкции.

Современные исследования

1. От трения воды к «регенерации» энергии

Одним из последних достижений в области трибоэлектрических технологий стала работа группы ученых под руководством Симоне Мелони из Университета Феррары (Италия). Они разработали то, что они называют интрузионно-экструзионным трибоэлектрическим наногенератором, системой, которая генерирует электричество, многократно проталкивая воду внутрь и из пор нанометрового размера в пористом кремнии.

Ключевое новшество — использование материалов с огромной внутренней поверхностью: один грамм пористой структуры может иметь внутреннюю площадь, сравнимую с футбольным полем. При проникновении и вытеснении воды на нанометровом уровне происходят тысячи циклов контакта и разделения поверхностей – именно это создает электрические заряды и, при соответствующей электрической схеме, переменный ток.

Исследователи модифицировали поверхность так, чтобы она была гидрофобной — то есть отталкивала воду, что обеспечивает надежное чередование контактов. Прототип достиг эффективности преобразования энергии около девяти процентов, что является значительным результатом для ранних этапов развития технологий, подчеркивает Popular Mechanics.

Этот подход изучается в рамках проекта Electrofusion Fusion, финансируемого Европейским Союзом. Одним из многообещающих применений являются энергорегенеративные амортизаторы для электромобилей, которые могут восстанавливать от пяти до десяти процентов энергии, обычно теряемой из-за трения во время движения.

2. От бытовой электроники до больших систем

Хотя ТЭНГ и подобные технологии сейчас разрабатываются в лабораториях, потенциал использования трибоэлектрификации велик. Устройства, которые могут собирать энергию из повседневных движений — шагов человека, вибрации машин, вибрации поверхности — уже показали, что они могут поддерживать работу маломощной электроники, датчиков и носимых устройств без внешнего питания.

Так, в некоторых прототипах трибоэлектрические наногенераторы вшиты в обувь или одежду, и механическое воздействие при ходьбе или движении рук создает электричество для зарядки небольших батарей или питания беспроводных датчиков.

Другие области исследований включают сбор энергии из вибраций машин, естественного движения воды и других механических потоков, где раньше энергия тратилась бесцельно. Благодаря простоте конструкции и относительно низкой стоимости материалов ТЭНы могут дополнять существующие источники энергии, особенно там, где подключение к традиционной сети невозможно или экономически нецелесообразно.

Научные ограничения

Несмотря на перспективы, фундаментальные вопросы остаются открытыми. До сих пор ученые не знают точно, почему и как именно происходит перенос заряда при контакте материалов на микроскопическом уровне — это остается предметом споров среди исследователей физики поверхности. Сам эффект трибоэлектрификации природа описывает эмпирически, однако механизмы переноса электронов и ионов в различных материалах еще изучаются.

Кроме того, эффективность трибоэлектрических компонентов пока не позволяет им конкурировать с традиционными источниками энергии высокой мощности. Эти системы дополняют энергетическую экосистему, а не заменяют традиционные генераторы и батареи. Вопросы долговечности, стабильности и долговременного поведения материалов при повторяющихся циклах также требуют дальнейшего изучения.

Ранее мы писали о том, когда получим неограниченный источник энергии.