Basit insan hareketleri elektrik üretmek için kullanılabilir mi?

Giyilebilir cihazlar teknolojisi enerji tüketim ve üretim başlığını sıkıştırmaya devam ediyor. Vanderbilt Üniversitesi Nanomateryal ve Enerji Cihazları Laboratuarı, giyilebilecek kadar ince ve çok düşük frekanslardan elektrik enerjisi üretebilecek kadar verimli bir cihaz ürettiklerini duyurdu.
bilimsoL - Eda Çapa
Cumartesi, 29 Temmuz 2017 11:45

Enerji ihtiyaçları yüksek ve şarj edilmesi zor cihazlar için çevresel kaynaklardan enerji üretme fikri önemli araştırma merkezlerinde yüksek bütçelerle araştırılıyor. Araştırmaların yoğunlaştığı alanlar; mekanik titreşimler (titreşim ve bozulmalar), çevresel ısı (sıcaklık değişimleri) radyan (ışıyan) kaynaklar (radio dalgası, ışık gibi), biyokimyasal tepkimeler ve insan aktiviteleri. İnsan aktiviteleri başlığında sıkıntılı konulardan biri ise çoğu insan hareketinin düşük frekans değerlerine sahip olması ve bu aktiviteleri dönüştürecek cihazın insan hareketlerini etkilemeyecek kadar ince olması zorunluluğu idi.

Vanderbilt Üniversitesi’nden bir grup 2 boyutlu siyah fosfor nano levhalarla yavaş insan hareketleri de dâhil enerji toplayabilen, ince ve verimli bir cihaz ürettiklerini söylüyor. ACS Energy Letters dergisinde yayınladıkları makalede piozoelektrik ve triboelektrik materyallerinin 10 Hz ve üzeri mekanik hareketler için enerji toplayabildiği oysa yeni cihazın mekanik elektrokimyasal gerilme üzerinden 0,01 Hz’e kadar elektrik enerjisi üretebildiğini belirtiliyor.

Grup 3 senedir pil materyallerinin bükülme-esneme karşısındaki tepkilerini araştırıyordu. Gerilim karşısında artan çalışma voltajının arttığını, sıkıştırma karşısında ise düştüğünü gözlemlemişlerdi. Ayrıca aynı maddeden yapılmış pozitif ve negatif elektrotlarla oluşturdukları pil ile elektrik enerjisini depolayamasalar da insan hareketleri karşısında ciddi miktarda elektrik akımı üretmeyi başarmıştı. Başında Yrd. Doç. Dr. Cary Pint’in bulunduğu araştırma ekibi, son olarak popüler 2 boyutlu materyallerden siyah fosfor nano levhaları kullanarak cihazı küçültmeyi hedeflemiş.

Şekil 1. Yanlamasına kesilmiş siyah fosfor levhaların yüksek çözünürlüklü görüntüsü ve siyah fosfor mekanik enerji toplayıcısının yapısı (katmanlar sırasıyla bakır yaprak / grafen / poliproplen ayraç)

Pint cihazın güvenli olduğunu da belirtiyor. Dönüştürücünün iki özdeş elektrottan oluştuğunu ve böylece kısa devre sonucunda yangın riskinin bertaraf edildiğini ifade ediyor. Prototip olarak tasarlanan cihazın bu haliyle, lehim lambası altında ısınarak yanmasının ihtimal dahilinde olduğunu da belirten Pint, bu sorunu katı hal elektrotlarıyla aşabileceklerini belirtiyor.

Toplayıcı hem bükme hem de baskı mekanik etkilerinde denenmiş. Toplanan enerji yeterli olmasa da umut vaat edici. Makalede bükme işleminde elde edilen maksimum güç değerinin 42 nW/cm2 , elde edilen toplam enerjinin de 0,203 μJ/cm2 olduğu, baskı modunda ise 9 nW/cm2 ve 0,792 μJ/cm2 olarak ölçümlendiği belirtilmiş.

Şekil 2 : Bükme ve baskı mekanik etkilerinde elde edilen akım değerleri

Pint çalışmanın sadece giyilebilir cihazlar ve enerji alanda değil, insan hareketlerinin elektriksel sinyallere çevrilmesi konusunda da öncü olmasını beklediklerini belirtiyor.

Şekil 3: a) Bükme sırasında ölçümlenen açık devre akımı b) bükme sırasında ölçümlenen kısa devre akımları c-d) baskı sırasında ölçülen açık ve kısa devre akımlar e) 0.1 Hz frekansında ve bükme sırasında ölçülen sürekli akım değeri