חיכוך ותנועה אלקטרומגנטיים: כיצד פועל מקור האנרגיה החדש

חלק ניכר מהאנרגיה המקיפה אותנו בחיי היום-יום מתבזבז: היא מתפזרת באמצעות תנועה, רטט, מגע עם משטחים וחיכוך רגיל. במשך זמן רב, הפסדים כאלה נחשבו קטנים מכדי להתחיל ללמוד.

עם זאת, בשנים האחרונות החלו פיזיקאים ומהנדסים להתייחס לתהליכים אלו כמקור פוטנציאלי לחשמל. מוקד המחקרים הללו הוא האפקט הטריבו-אלקטרי. קרא עוד במאמר Rambler.

מהו חשמול טריבו?

טריבו-חשמול היא תופעה שבה אלקטרונים או יונים מופצים מחדש בין שני חומרים כאשר הם נוגעים, משפשפים או נפרדים. תופעה זו מוכרת לכולם: נגיעה קלה במשטח הזכוכית לאחר החיכוך עלולה לגרום לחשמל סטטי, שיער ליד הזכוכית הופך ל"זז", ובגדים נדבקים לגוף ביציאה מהמכונית – כל אלה הם ביטויים של אפקט החיכוך.

בפיזיקה, תהליך זה ידוע גם כחשמל סטטיסטי והוא עומד בבסיס המטען השיורי שיכול להצטבר על פני חומר לאחר אינטראקציה מכנית. בשנים האחרונות, מהנדסים חוקרים באופן פעיל כיצד להמיר מטען זה לאנרגיה שימושית.

כיצד הופך אפקט החיכוך למקור אנרגיה?

הכלי הטכני העיקרי ליישומים מעשיים של חשמול טריבו-אלקטרי הוא הננו-גנרטור הטריבו-אלקטרי (TENG). מכשירים אלה משתמשים במגע ובהפרדה של חומרים כדי להמיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית.

עקרון הפעולה הוא פשוט ברעיון אך מורכב ביישום: כאשר שני חומרים בעלי נטיות שונות לכידת אלקטרונים באים במגע זה עם זה ואז נפרדים, מופיע הבדל פוטנציאלי על פני השטח שלהם. אם חומרים אלו מחוברים בסדרה באמצעות אלקטרודות, ניתן להשתמש בפוטנציאל זה ליצירת זרם חשמלי.

שבע תגליות מדעיות מקריות שינו את העולם אחת ולתמיד

TENGs משכו לראשונה תשומת לב מדעית נרחבת בשנת 2012, כאשר קבוצת חוקרים הדגימה את הפוטנציאל של מכשירים כאלה לקצור אנרגיה מתנועות מסביב. מאז, צפיפות ההספק ותפוקת האנרגיה עלו באופן משמעותי הודות לאופטימיזציה של חומרים ועיצוב.

מחקר מודרני

1. מחיכוך מים ל"התחדשות" אנרגטית.

אחד ההישגים האחרונים בתחום הטכנולוגיה הטריבו-אלקטרית הוא עבודתה של קבוצת מדענים בראשות סימון מלוני מאוניברסיטת פרארה (איטליה). הם פיתחו את מה שהם מכנים ננו-גנרטור טריבו-אלקטרי שחול חודרני, מערכת המייצרת חשמל על ידי דחיפת מים מתמשכת פנימה והחוצה מנקבוביות בגודל ננומטר בסיליקון נקבובי.

החידוש המרכזי הוא שימוש בחומרים בעלי משטחים פנימיים גדולים מאוד: לגרם אחד של המבנה הנקבובי יכול להיות שטח פנימי שווה ערך למגרש כדורגל. במהלך חדירת מים ותזוזה בקנה מידה ננומטרי מתרחשים אלפי מחזורים של מגע והפרדה פני השטח – זה מה שגורם למטען וזרם חילופין עם המעגל המתאים.

החוקרים שינו את המשטח להיות הידרופובי, כלומר הוא דוחה מים, מה שמאפשר החלפה אמינה של נקודות מגע. אב הטיפוס השיג יעילות המרת אנרגיה של כ-9%, שהיא תוצאה חשובה בשלבים המוקדמים של הטכנולוגיה. מכניקה פופולרית.

גישה זו נחקרת בפרויקט Electrofusion Fusion, הממומן על ידי האיחוד האירופי. יישום מבטיח אחד הוא בולמי זעזועים מתחדשים לרכבים חשמליים, שיכולים לשחזר 5 עד 10 אחוזים מהאנרגיה שאבדה בדרך כלל מחיכוך במהלך נהיגה.

2. מאלקטרוניקה לצרכן ועד למערכות גדולות

למרות ש- TENG וטכנולוגיות דומות מפותחות כיום במעבדות, הפוטנציאל לשימוש בחשמל טריבו-אלקטרי הוא עצום. מכשירים שיכולים לקצור אנרגיה מתנועות יומיומיות – צעדים אנושיים, רעידות מכונות, רעידות פני השטח – הראו שהם יכולים לתמוך בפעולה של אלקטרוניקה, חיישנים וחפצים לבישים בעלי הספק נמוך ללא צורך במקור כוח חיצוני.

לפיכך, בחלק מהאב-טיפוס, ננו-גנרטורים טריבו-אלקטריים נתפרים לנעליים או לבגדים, וההשפעה המכנית של הליכה או הזזת זרוע מייצרת חשמל לטעינת סוללות קטנות או להפעיל חיישנים אלחוטיים.

תחומי מחקר אחרים כוללים קצירת אנרגיה מרטט של מכונות, תנועת מים טבעית וזרימות מכניות אחרות שבהן אנרגיה התבזבזה בעבר. בשל העיצוב הפשוט ועלויות החומר הנמוכות יחסית, TENGs יכולים להשלים מקורות אנרגיה קיימים, במיוחד כאשר החיבור לרשת המסורתית אינו אפשרי או משתלם כלכלית.

מגבלות מדעיות

למרות ההבטחה, שאלות יסוד נותרות פתוחות. עד כה, מדענים לא ידעו בדיוק מדוע וכיצד מתרחשת העברת מטען כאשר חומרים באים במגע ברמה המיקרוסקופית – זה נותר נושא לוויכוח בין חוקרי פיזיקת פני השטח. הטבע מתאר את אפקט החשמול בניסוי, אך מנגנון העברת האלקטרונים והיונים בחומרים שונים עדיין נחקר.

בנוסף, הביצועים של רכיבים טריבו-אלקטריים עדיין אינם מאפשרים להם להתחרות במקורות כוח מסורתיים בהספק גבוה. מערכות אלו משלימות את מערכת האנרגיה האקולוגית במקום להחליף גנרטורים וסוללות קונבנציונליות. גם סוגיות של עמידות, יציבות וביצועים לטווח ארוך של חומרים במחזורים חוזרים מחייבים בדיקה נוספת.

כתבנו בעבר על מתי תהיה לנו אנרגיה בלתי מוגבלת.