Nosljiva elektronika, ki jo poganja lastna telesna toplota uporabnika, bi lahko pomagala pri reševanju vprašanja, kako shraniti energijo. Avtor fotografije: pxhere.com/licenca pod CC0
Zahvaljujoč hitremu računalniškemu razvoju v zadnjem desetletju in miniaturizaciji elektronskih komponent lahko ljudje na primer v majhnih računalnikih v realnem času spremljajo svoje gibanje in svoje zdravje. Raziskovalci zdaj preučujejo, kako najbolje napajati te naprave tako, da se napajajo z lastno telesno toploto uporabnika in delajo z znanjem iz tekstilne industrije.
Pričakuje se, da bo trg nosljive elektronike do leta 2025 zrasel na 53 milijard EUR, vendar nad njim prevladuje en izdelek – pametne ure. Zunaj tega je veliko izdelkov v “začetnem položaju”, “je povedal dr. Matthias Fahland iz Fraunhofer FEP v Nemčiji. Ena glavnih ovir na tem področju je shranjevanje energije.” Vprašanje, od kod prihaja energija, kje se nahaja baterija, kako dolgo bo trajala. Zato je shranjevanje ključno vprašanje za vse. ”
Projekt, imenovan ThermoTex, raziskuje uporabo toplote človeškega telesa za napajanje drobnih naprav. Termoelektrični učinek je znan že skoraj 200 let, pravi profesor Christian Müller s tehnološke univerze Chalmers na Švedskem. Ta učinek omogoča pretvorbo toplotne energije v električno energijo, kadar obstaja temperaturna razlika, na primer razlika med temperaturo kože in temperaturo okolice. Elektroni se iz vročega dela materiala premaknejo na hladnejšega in to gibanje naboja ustvari električni potencial. “Toplotni gradienti (razlike) so pomemben vir energije, saj so vedno tam,” je dejal.
Polimeri
ThermoTex ima dve poti: bazična in uporabna znanost. Za svojobazično znanost je ekipa poskušala oblikovati polimere, ki so imeli boljše termoelektrične lastnosti od trenutno razpoložljivih. Eden od načinov za uravnavanje termoelektričnih učinkov polimerov, ki so dolge verige molekul, obstaja preko dopingiranja. Ta postopek ustvarja električni naboj, potreben za proizvodnjo električne energije.
Leta 2020 je skupina ThermoTex objavila članek v Nature Materials, ki je pokazal, da je z združevanjem polimerov z nizko ionizacijsko energijo – energijo, potrebno za oddajanje elektrona – in dopantom (molekuli, dodani polimeru) z visoko afiniteto do elektronov, možno podvojiti učinkovitost dopingiranja.
Vendar pa obstajajo varnostni pomisleki v zvezi z dopanti, zlasti kadar se uporabljajo v nosljivi elektroniki. “Lahko so strupeni,” je dejal prof. Müller. “Če pridejo v stik s kožo, vas lahko zastrupijo”, dodaja.
Skupina je preučila približno 50 različnih dopantov, ki jih bo nadalje raziskala v velikem projektu, ki ga financira EU, imenovanem HORATES, ki se bo začel leta 2021 za razvoj organskih ali termoelektričnih generatorjev na osnovi ogljika.
Kot del svojega uporabnega dela so ThermoTex kupili polimerne formulacije za komercialno prevodnost, s katerimi so prevlekli svilo. Te prevleke sicer niso tako učinkovite, kot nekatere laboratorijsko izdelane od prof. Müllerja, vendar so projektni skupini omogočile, da je začela izdelovati prevodne tkanine in naprave. Prevlečena svila bi lahko na primer napajala senzorje za nadzor vitalnih organov.
Pobarvane svilene pramene so skozi dolge črte šivali skozi tkanine, vezli pa so jih tudi v majhne pikice, kar je pomembno, pravi prof. Müller, saj je svila v “pikčasti obliki” kanal med kožo in zunanjim zrakom. Študenti so te svilene pramene skupaj tkali tudi v tkalskih statvah.
“Mislim, da je zelo pomembno, da se z njihovimi metodami povežemo s tekstilno industrijo,” je dejal. “Gre za dobro uveljavljeno industrijo z nizkimi stopnjami dobička, zato ne morete najti neke modne metode, ki je nihče nima.”
Ta s svilo vezen termoelektrični generator lahko napaja nosljivo elektroniko s pomočjo telesne toplote. Avtorica fotografije: Anja Lund
Platforma
Medtem pa dr. Fahland iz Fraunhoferjevega FEP skuša ponuditi tudi rešitve za tekstilno industrijo, ki jih lahko uporabi v svojih oblačilih. Je vodja projekta Smart2Go, 11-članske skupine, katere cilj je ustvariti avtonomno platformo za oskrbo nosljive elektronike z električno energijo v velikosti dlani.
Platforma vključuje pridobivanje energije s termoelektričnim učinkom, shranjevanjem in aplikacijami te energije. “Platforma je kos folije z veliko funkcionalnosti,” pravi dr. Fahland in dodaja, da jo lahko držite v roki. “To je vmesnik, ki povezuje zbiralnik energije z aplikacijo. Lahko določite, kako se energija vnaša v platformo in na kakšen način se nato vodi do aplikacije.”
Kar zadeva aplikacije, Smart2Go sodeluje z industrijskimi partnerji pri dveh različnih projektih.
Smart2Go sodeluje s proizvajalcem tekstila in oblačil, da svojo platformo integrira z materiali za pridobivanje energije za varnejša delovna oblačila. To lahko vključuje funkcije, kot je osvetlitev v temi. Sodeluje tudi s podjetjem za šport in prosti čas za izdelavo oblačil, ki lahko zbirajo informacije o uspešnosti.
“Te rešitve postavljajo številne omejitve glede teže in prilagodljivosti materialov”, pravi dr. Fahland. Prav tako morajo biti zgrajene tako, da lahko uporabnik “priključi” različne tehnologije pridobivanja energije.
Projekti Smart2Go temeljijo na sončni energiji in telesni toploti, drugi pa lahko vključujejo na primer energijo, ustvarjeno z gibanjem, ali kinetično energijo. Projektni kolegi na univerzi Tampere na Finskem delajo na superkondenzatorjih za platformo, kjer bodo povečali električni tok, ki je na voljo različnim aplikacijam, in razširili možno uporabo platforme.
Mobilnitelefoni
Vendar pa lahko ti majhni zbiralniki energije lahko zberejo malo energije iz okolja. Profesor Müller iz ThermoTexa se smeji ideji, da bi lahko nekoč s termoelektričnim učinkom polnili mobilni telefon.
Ne samo, da je postopek zajemanja energije zelo neučinkovit – ocenjuje, da lahko največ 1% toplotne energije zajamemo in shranimo, zato poskušajo razviti nove materiale. Uporabnik bi to občutil kot zelo hladno napravo, ki skuša vzeti energijo iz njegovega telesa.
Za manjše aplikacije, kot so senzorji za spremljanje človekovega zdravja, identifikacijske oznake ali varnostna oblačila, pa lahko odgovor predstavljajo drobne naprave, ki črpajo majhne količine energije iz okolice.
Največja ovira za nosljivo elektroniko morda ni tehnična – čeprav je bila to doslej velika ovira za njihov razvoj in uveljavitev. Sposobnost nosljivih naprav za zbiranje in shranjevanje zasebnih podatkov ljudi ter varnost, ki jo to predstavlja, je treba odpraviti, da bo nosljiva elektronika še rasla. “Obstaja veliko pravnih vprašanj in vprašanj glede varnosti podatkov, ki jih je treba jemati povsem resno,” je dejal dr. Fahland.
Medtem on in drugi na terenu odstranjujejo ovire, ki jih lahko in hkrati ustvarjajo tehnologijo, ki bo utrla pot v prihodnost, v kateri bodo naša oblačila zajemala energijo iz našega telesa in okolja.
Vir: https://techxplore.com/news/2020-10-future-wearable-electronic-body.html
Science X
Avtorica: Sarah Wild, Horizon Magazine, Horizon: The EU Research & Innovation Magazine
2020_290_
https://techxplore.com
