Das „Kraftwerk“ des menschlichen Körpers? Stabile Leistung für 5 Monate, problemloses Aufleuchten von 100 LED-Leuchten

Da die Produktinnovation bei Smartphones derzeit allmählich nachlässt und sich die Marktkapazität allmählich der Sättigung nähert, sind intelligente tragbare elektronische Geräte zu einem neuen Hotspot in der Smart-Terminal-Branche geworden.

Unter ihnen sind flexible tragbare elektronische Geräte eine der modernsten Forschungsrichtungen auf diesem Gebiet.

Da Design und Funktion flexibler tragbarer elektronischer Geräte jedoch schon immer von der Energiequelle und den verwendeten Materialien beeinflusst wurden, gibt es auf dem Markt nicht viele herausragende Produkte.

Wäre es nicht cool, wenn wir sperrige Batterien „wegwerfen“ und tragbare elektronische Geräte mit unserer eigenen Energie betreiben könnten?

Nun könnte diese Idee Wirklichkeit werden.

Kürzlich haben Forschungsteams der Nanyang Technological University in Singapur und der Tsinghua University gemeinsam ein dehnbares, wasserdichtes „Gewebe“ entwickelt, das die durch die Bewegung des menschlichen Körpers erzeugte Energie direkt in elektrische Energie umwandeln kann.

In einem Proof-of-Concept-Experiment klopfte das Forschungsteam auf ein 3 x 4 cm großes Stück des Versuchsmaterials und erzeugte so genug Strom, um 100 LED-Leuchten zum Leuchten zu bringen.

Darüber hinaus lässt die Leistung des Stoffes nach dem Waschen, Falten und Knittern nicht nach und er kann sogar bis zu 5 Monate lang eine stabile Leistungsabgabe aufrechterhalten.

Das Forschungsteam ist davon überzeugt, dass dieser neue Stoff das Potenzial hat, zu intelligenten Textilien und tragbaren Energiequellen zu werden.

Die zugehörige Forschungsarbeit mit dem Titel „Stretchable, Breathable, and Stable Lead-Free Perovskite/Polymer Nanofiber Composite for Hybrid Triboelectric and Piezoelectric Energy Harvesting“ (Stretchable, Breathable, and Stable Lead-Free Perovskite/Polymer Nanofiber Composite for Hybrid Triboelectric and Piezoelectric Energy Harvesting) wurde in der wissenschaftlichen Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.

Eine neue alternative Energiequelle

Bei dem neuen Stoff handelt es sich um ein Energiegewinnungsgerät, das die durch kleinste Körperbewegungen im Alltag erzeugten Vibrationen in Elektrizität umwandeln kann.

Der Studie zufolge ist ein Schlüsselbestandteil des Gewebes ein Polymer, das beim Drücken oder Quetschen mechanische Spannung in elektrische Energie umwandelt.

Der neue Stoff besteht aus einer dehnbaren Spandex-Basisschicht, die mit einem gummiartigen Material integriert ist, um ihn robust, flexibel und wasserdicht zu machen.

„Es gab viele Versuche, Stoffe oder Kleidung zu entwickeln, die Energie aus Bewegung gewinnen können. Eine große Herausforderung besteht jedoch darin, sicherzustellen, dass ihre Funktionalität auch nach mehrmaligem Waschen nicht nachlässt und gleichzeitig eine gute Leistungsabgabe gewährleistet bleibt“, sagte Lee Pooi See, Professor an der Nanyang Technological University und korrespondierender Autor des Artikels.

In dieser Arbeit zeigte das Forschungsteam, dass der Stoffprototyp auch nach dem Waschen und Zerknittern noch gut funktioniert und in T-Shirts eingewebt oder in Schuhsohlen integriert werden kann, um aus den kleinsten Bewegungen des menschlichen Körpers Energie zu gewinnen und mobile Geräte mit Strom zu versorgen.

Der neue Stoff erzeugt auf zwei Arten Elektrizität: wenn er gedrückt oder gequetscht wird, wodurch Piezoelektrizität entsteht, und wenn er an anderen Materialien wie Haut oder einem Gummihandschuh gerieben wird, wodurch ein triboelektrischer Effekt entsteht.

Um den Gewebeprototyp herzustellen, erstellten die Wissenschaftler zunächst eine dehnbare Elektrode, indem sie im Siebdruckverfahren eine „Tinte“ aus Silber und Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol (SEBS) aufdruckten.

Die dehnbare Elektrode wurde dann an einem Nanofasergewebe aus PVDF-HPF befestigt, einem Polymer, das beim Zusammendrücken, Biegen oder Dehnen eine elektrische Ladung erzeugt, und bleifreiem Perowskit, einem vielversprechenden Material für Solarzellen und LEDs.

Das Forschungsteam sagte, dass das Einbetten von Perowskiten in PVDF-HPF die elektrische Ausgangskapazität des Prototypgewebes erhöhen könne und bleifreie Perowskite eine umweltfreundlichere Option seien. PVDF-HPF verleiht Perowskit nicht nur eine besondere mechanische Haltbarkeit und Flexibilität, sondern fungiert auch als zusätzliche Schutzschicht für Perowskit und verbessert so dessen mechanische Eigenschaften und Stabilität.

Keine Batterien mehr nötig?

Um die Funktionsweise ihres Stoffprototyps zu demonstrieren, zeigte das Team, wie durch kontinuierliches Klopfen der Hand auf ein 3 x 4 cm großes Stück Stoff 100 LEDs aufleuchten oder verschiedene Kondensatoren aufgeladen werden können.

Die Ergebnisse zeigten, dass der neue Stoff eine gute Haltbarkeit und Stabilität aufwies – seine elektrischen Eigenschaften verschlechterten sich nach dem Waschen, Falten und Zerknittern nicht und er lieferte bis zu fünf Monate lang weiterhin eine kontinuierliche und stabile Stromabgabe.

Darüber hinaus kann das neue Gewebe an Armen, Beinen, Händen, Ellbogen und Einlegesohlen angebracht werden, um die durch eine Reihe menschlicher Bewegungen erzeugte Energie zu nutzen, ohne die Bewegung zu beeinträchtigen.

„Trotz verbesserter Batteriekapazität und sinkendem Strombedarf müssen tragbare Geräte immer noch häufig mit Batterien versorgt werden. Unsere Ergebnisse zeigen, dass unser energiegewinnender Gewebe-Prototyp die Vibrationsenergie des Menschen nutzen und so möglicherweise die Lebensdauer von Batterien verlängern oder sogar den Bau autarker Systeme ermöglichen kann. Unseres Wissens ist dies das erste Hybrid-Energiegerät auf Perowskit-Basis, das stabil, dehnbar, atmungsaktiv und wasserdicht ist und gleichzeitig eine hervorragende Leistung liefert“, sagte Lee.

Das Forschungsteam untersucht derzeit, wie sich mit demselben Stoff unterschiedliche Energieformen gewinnen lassen.

Quellen:

https://www.ntu.edu.sg/news/detail/new-'fabric'-converts-motion-into-electricity

https://ersp.lib.whu.edu.cn/s/com/wiley/onlinelibrary/G.https/doi/10.1002/adma.202200042

https://www.reddit.com/r/science/comments/v5mlal/scientists_have_developed_a_stretchable_and/

https://www.sciencedaily.com/releases/2022/06/220603100146.htm