Não é brincadeira: colha energia do céu noturno frio

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Aparentemente, há pouco limite para as formas imaginativas de explorar e explorar o potencial “algo por quase nada” da captação de energia. Pesquisadores da UCLA que trabalham com participantes de outras instituições criaram um coletor de energia baseado em triboelétricos que cria eletricidade a partir da neve que cai. Seu nanogerador triboelétrico (TENG) baseado na neve usa o fato de que a neve caindo é carregada positivamente e procura liberar elétrons (Figura 1)

1. Os mecanismos de trabalho e simulações de MEF de um TENG de neve: Ilustração esquemática que mostra o mecanismo de trabalho de um TENG de neve utilizando três modos operacionais diferentes, incluindo batida, deslizamento e queda de neve (a, b, c); Resultados da simulação FEM para os modos operacionais correspondentes (d, e, f). Finalmente, cargas triboelétricas também podem ser geradas quando a neve cai no filme de silicone. (Fonte: UCLA)1. Os mecanismos de trabalho e simulações de MEF de um TENG de neve: Ilustração esquemática que mostra o mecanismo de trabalho de um TENG de neve utilizando três modos operacionais diferentes, incluindo batida, deslizamento e queda de neve (a, b, c); Resultados da simulação FEM para os modos operacionais correspondentes (d, e, f). Finalmente, cargas triboelétricas também podem ser geradas quando a neve cai no filme de silicone. (Fonte: UCLA)

O co-autor Maher El-Kady, pesquisador assistente da UCLA em química e bioquímica, disse: “A neve já está carregada, então pensamos: por que não trazer outro material com a carga oposta e extrair a carga para criar eletricidade?”

Para emparelhar com a neve que caía e criar a transferência eletrônica necessária, eles precisavam de um material com carga negativa adequada. “Depois de testar um grande número de materiais, incluindo folhas de alumínio e Teflon, descobrimos que o silicone produz mais carga do que qualquer outro material”, disse El-Kady. Eles então usaram a impressão 3D para construir o dispositivo, que possui uma camada de silicone e um eletrodo (Figura 2). Isso permitiu que eles controlassem com precisão o projeto e a deposição do eletrodo e da camada triboelétrica, levando a um TENG flexível, elástico e sem metal.

2. O processo de impressão 3D e a arquitetura, juntamente com as propriedades ópticas e mecânicas de um snow-TENG. É mostrada uma ilustração esquemática do processo de impressão de uma neve-TENG (a): impressão de um eletrodo de polímero condutor (a-i); A inserção mostra a composição química da tinta (a-ii). À direita está a impressão da camada de triboeletrificação baseada em tinta de silicone curável por UV; A inserção revela a composição química da tinta de silicone. A seguir, é apresentada uma ilustração esquemática da estrutura do dispositivo, apresentando uma superfície com micropadrão do silicone curável por UV; As imagens SEM à esquerda mostram o micropadrão em diferentes ampliações (as barras de escala são 100 µm e 50 µm, respectivamente) (b). O princípio de funcionamento do dispositivo baseado na triboeletrificação da neve é ​​mostrado em (c). Em (d) é uma fotografia mostrando a alta transparência da camada de silicone; o logotipo da Universidade McMaster em segundo plano pode ser reconhecido através da camada de silicone. A exposição do neve-TENG a diferentes condições de alongamento é dada em (e). (Fonte: UCLA)2. O processo de impressão 3D e a arquitetura, juntamente com as propriedades ópticas e mecânicas de um snow-TENG. É mostrada uma ilustração esquemática do processo de impressão de uma neve-TENG (a): impressão de um eletrodo de polímero condutor (a-i); A inserção mostra a composição química da tinta (a-ii). À direita está a impressão da camada de triboeletrificação baseada em tinta de silicone curável por UV; A inserção revela a composição química da tinta de silicone. A seguir, é apresentada uma ilustração esquemática da estrutura do dispositivo, apresentando uma superfície com micropadrão do silicone curável por UV; As imagens SEM à esquerda mostram o micropadrão em diferentes ampliações (as barras de escala são 100 µm e 50 µm, respectivamente) (b). O princípio de funcionamento do dispositivo baseado na triboeletrificação da neve é ​​mostrado em (c). Em (d) é uma fotografia mostrando a alta transparência da camada de silicone; o logotipo da Universidade McMaster em segundo plano pode ser reconhecido através da camada de silicone. A exposição do neve-TENG a diferentes condições de alongamento é dada em (e). (Fonte: UCLA)

Com base no modo de eletrodo único, o dispositivo pode gerar uma densidade de potência de saída instantânea tão alta quanto 0,2mW / m2 (Carga de 50 MΩ), tensão de circuito aberto de até 8V e densidade de corrente de 40μA / m2 sob condições definidas (Figuras 3 e 4).

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3. Avaliação do desempenho elétrico de um neve-TENG para coletar energia da queda de neve: Voc e Jsc definem o desempenho da triboeletrificação de um neve-TENG usando diferentes materiais triboelétricos positivos e negativos (a); influência da intensidade da luz UV e do tempo de cura da camada de triboeletrificação (silicone) na saída elétrica do dispositivo (b, c). Os gráficos comparam a tensão de circuito aberto, a corrente de curto-circuito e a carga de curto-circuito em diferentes condições. (Fonte: UCLA)3. Avaliação do desempenho elétrico de um neve-TENG para coletar energia da queda de neve: Voc e Jsc definem o desempenho da triboeletrificação de um neve-TENG usando diferentes materiais triboelétricos positivos e negativos (a); influência da intensidade da luz UV e do tempo de cura da camada de triboeletrificação (silicone) na saída elétrica do dispositivo (b, c). Os gráficos comparam a tensão de circuito aberto, a corrente de curto-circuito e a carga de curto-circuito em diferentes condições. (Fonte: UCLA)

4. Caracterização das propriedades elétricas de um snow-TENG em cenários de escorregamento e deslizamento: A configuração de teste mostrando um motor linear vertical, camada de neve e o snow-TENG fabricado (a). Tensão em circuito aberto, Voc; corrente de curto-circuito Jsc; e pico de potência dependente de carga externa no cenário de derivação (b, c e d, respectivamente). O comportamento de carga de um capacitor de 1 µF usando a saída do snow-TENG; Os resultados mostram que o capacitor pode carregar até 2 V em quase quatro minutos (e). Não há degradação aparente nos perfis de tensão para o snow-TENG, mesmo após cerca de 8000 ciclos de carga e descarga repetidas na taxa de 3 Hz (f). Isso confirma que o snow-TENG é um dispositivo durável e estável, mesmo com o uso a longo prazo. (Fonte: UCLA)4. Caracterização das propriedades elétricas de um snow-TENG em cenários de escorregamento e deslizamento: A configuração de teste mostrando um motor linear vertical, camada de neve e o snow-TENG fabricado (a). Tensão em circuito aberto, Voc; corrente de curto-circuito Jsc; e pico de potência dependente de carga externa no cenário de derivação (b, c e d, respectivamente). O comportamento de carga de um capacitor de 1 µF usando a saída do snow-TENG; Os resultados mostram que o capacitor pode carregar até 2 V em quase quatro minutos (e). Não há degradação aparente nos perfis de tensão para o snow-TENG, mesmo após cerca de 8000 ciclos de carga e descarga repetidas na taxa de 3 Hz (f). Isso confirma que o snow-TENG é um dispositivo durável e estável, mesmo com o uso a longo prazo. (Fonte: UCLA)

A equipe fez mais do que simplesmente construir um transdutor e uma fonte de energia para captação de energia. O snow-TENG pode funcionar como um sensor de alimentação própria e estação meteorológica para monitorar o tempo em tempo real para fornecer informações precisas sobre a taxa de queda de neve, profundidade de acúmulo de neve, direção do vento e velocidade em ambientes com neve e / ou gelo. Além disso, ele pode ser usado como fonte de energia vestível e sensor biomecânico para detectar movimentos do corpo humano.

A equipe acredita que o dispositivo pode ser produzido a baixo custo, dada a “facilidade de fabricação e disponibilidade de silicone”, acrescentou o líder do projeto Richard Kaner, professor. de química e bioquímica, bem como ciência e engenharia de materiais, e que ocupa o cargo de Presidente da UCLA Dr. Myung Ki Hong em inovação de materiais.

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Detalhes completos da teoria, fabricação e teste estão em seu artigo “Todo nanogerador triboelétrico imprimível à base de neve“Publicado na revista Elsevier Nano Energy.

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