Korzystając z elastycznych polimerów przewodzących i nowatorskich wzorów obwodów drukowanych na papierze, naukowcy zaprezentowali sprawdzone przenośne generatory termoelektryczne, które mogą pobierać energię z ciepła ciała w celu zasilania prostych bioczujników do pomiaru częstości akcji serca, oddychania i innych parametrów.

Ze względu na symetryczne wzory drutów fraktalnych, urządzenia mogą być przycinane do rozmiaru wymaganego do zapewnienia odpowiedniego napięcia i mocy dla konkretnych zastosowań. Modułowe generatory mogą być drukowane strumieniowo na elastycznych podłożach, w tym tkaninach, i wytwarzane przy użyciu niedrogich technik roll-to-roll. „Atrakcją generatorów termoelektrycznych jest to, że wokół niego generowane jest ciepło” – powiedziała dr Akanksha Menon z Woodruff School of Mechanical Engineering w Georgia Institute of Technology. „Jeśli uda nam się wykorzystać trochę tego ciepła i zamienimy je na energię elektryczną, to będzie wielki sukces. Pracujemy nad tym, jak wytwarzać prąd za pomocą ciepła z ciała.”

Generatory termoelektryczne, które zamieniają energię cieplną bezpośrednio na elektryczność, są dostępne od dziesięcioleci, ale standardowe konstrukcje wykorzystują nieelastyczne materiały nieorganiczne, które są zbyt toksyczne, aby można je było stosować w urządzeniach do noszenia. Moc wyjściowa zależy od różnicy temperatur, jaka może powstać między dwoma bokami generatorów, w zależności od obciążenia cieplnego ciała. Uzyskanie wystarczającej ilości energii cieplnej z małego obszaru kontaktu na skórze jest trudne, a wewnętrzna rezystancja w urządzeniu ostatecznie ogranicza moc wyjściową.

Aby temu zaradzić, Menon i współpracownicy w laboratorium Shannon Yee zaprojektowali urządzenie z tysiącami kropek złożonych z naprzemiennych polimerów typu p i n w ściśle spakowanym układzie. Ich wzór zamienia więcej ciepła na jednostkę powierzchni ze względu na duże gęstości upakowania obsługiwane przez drukarki atramentowe. Przez umieszczenie kropek polimeru bliżej siebie, długość połączenia zmniejsza się, co z kolei obniża całkowity opór i powoduje większą moc wyjściową z urządzenia.

„Zamiast łączenia kropek polimerowych z tradycyjnym serpentynowym wzorcem okablowania używamy wzorów okablowania opartych na krzywych wypełnionej przestrzeni, takich jak wzór Hilberta – ciągła krzywa wypełniająca przestrzeń” – powiedział Kiarash Gordiz, współautor, który pracowałał nad projektem, gdy był doktorantem w Georgia Tech. „Zaletą jest to, że wzory Hilberta pozwalają na konformację powierzchni i samolokalizację, co zapewnia bardziej jednolitą temperaturę w całym urządzeniu.”

Nowa konstrukcja obwodu ma również inną zaletę: jego symetryczna konstrukcja umożliwia cięcie modułów wzdłuż granic między obszarami symetrycznymi, aby zapewnić dokładnie napięcie i moc potrzebną do konkretnego zastosowania. Eliminuje to potrzebę stosowania konwerterów mocy, które zwiększają złożoność i odbierają energię z systemu.

Naukowcy używają dostępnych w handlu materiałów typu p i współpracują z chemikami z Georgia Tech w celu opracowania lepszych polimerów typu n dla przyszłych generacji urządzeń, które mogą pracować z małymi różnicami temperatur w temperaturze pokojowej. Ciepło ciała wytwarza dyferencjały tak małe jak pięć stopni, w porównaniu do stu stopni dla generatorów używanych jako część rurociągów i linii parowych.

Wśród innych perspektyw dla opracowywanych materiałów są zlokalizowane urządzenia chłodzące, które odwracają proces, wykorzystując energię elektryczną do przenoszenia energii cieplnej z jednej strony urządzenia na drugą. Chłodzenie właśnie części ciała mogłoby zapewnić percepcję wygody bez kosztu wielkiej przestrzeni-klimatyzacji, Yee powiedział.

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Please enter your comment!
Please enter your name here