Электричество из трения и движения: как работает новый источник энергии

Большая часть энергии, которая окружает нас в повседневной жизни, уходит впустую: она рассеивается при движении, вибрациях, контакте поверхностей и обычном трении. Долгое время такие потери считались слишком незначительными, чтобы начать их изучать.

Однако в последние годы физики и инженеры начали рассматривать эти процессы как потенциальный источник электричества. В центре этих исследований оказался трибоэлектрический эффект. Подробнее — в материале «‎Рамблера».

Что такое трибоэлектризация?

Трибоэлектризация — явление, при котором электроны или ионы перераспределяются между двумя материалами, когда они соприкасаются, трутся или разделяются. Такое явление знакомо каждому: легкое прикосновение к стеклянной поверхности после трения может вызвать статический разряд, волосы возле греьня становятся «шевелящимися», а одежда прилипает к телу при выходе из машины — это все проявления трибоэффекта.

В физике этот процесс называют также статистическим электричеством, и он лежит в основе остаточного заряда, который может накопиться на поверхности материалов после механического взаимодействия. В последние годы инженеры активно исследуют способы превращения этого заряда в полезную энергию.

Как трибоэффект становится источником энергии?

Основной инженерный инструмент для практических применений трибоэлектризации — это трибоэлектрические наногенераторы (Triboelectric Nanogenerators, TENGs). Эти устройства используют контакт и разделение материалов для преобразования механической энергии в электрическую.

Принцип работы прост по идее, но сложен в реализации: когда два материала с разной склонностью к захвату электронов соприкасаются и затем расходятся, на их поверхностях возникает разность электрического потенциала. Если за этими материалами следуют электроды, этот потенциал можно использовать для создания электрического тока.

Семь случайных научных открытий, которые раз и навсегда изменили мир

Впервые TENGs получили широкую научную известность в 2012 году, когда группой исследователей был продемонстрирован потенциал таких устройств для сбора энергии из окружающих движений. С тех пор мощность и плотность выходной энергии значительно выросли благодаря оптимизации материалов и конструкций.

Современные исследования

1. От трения воды до «регенерации» энергии

Одним из последних достижений в области трибоэлектрических технологий стала работа команды ученых под руководством Симоне Мелони из Университета Феррары (Италия). Они разработали так называемый трибоэлектрический наногенератор, изготовленный методом интрузии-экструзии, — систему, которая генерирует электричество за счет многократного проталкивания воды внутрь и наружу нанометровых пор в пористом кремнии.

Ключевая инновация — использование материалов с огромной внутренней поверхностью: один грамм пористой структуры может иметь внутреннюю площадь, сравнимую с футбольным полем. Во время проникновения и вытеснения воды на уровне нанометров происходят тысячи циклов контакта и разделения поверхности — именно это создает электрические заряды и, при соответствующей электрической схеме, переменный ток.

Исследователи модифицировали поверхность так, чтобы она была гидрофобной — то есть отталкивала воду, что обеспечивает надежное чередование контактов. В прототипе достигнута эффективность преобразования энергии около девяти процентов, что для ранних стадий технологии является значительным результатом, подчеркивает Popular mechanics.

Этот подход рассматривается в рамках проекта «Электротермоядерный синтез», финансируемого Европейским союзом. Одно из перспективных применений — энерго-регенеративные амортизаторы для электромобилей, которые могли бы возвращать пять–десять процентов энергии, обычно теряемой из-за трения при движении.

2. От бытовой электроники до больших систем

Хотя TENGs и подобные технологии сейчас развиваются в лабораториях, потенциал использования трибоэлектризации велик. Устройства, способные собирать энергию из повседневных движений — шагов человека, вибраций машиностроительных агрегатов, колебаний поверхностей — уже показали, что они могут поддерживать работу низкопотребляющей электроники, датчиков и носимых устройств без внешнего питания.

Так, в некоторых прототипах трибоэлектрические наногенераторы вшиваются в обувь или ткань одежды, а механическое воздействие при ходьбе или движении руками создает электричество для зарядки маленьких батарей или питания беспроводных датчиков.

Другие направления исследований включают сбор энергии из вибраций машин, движения воды в природных условиях и прочих механических потоков, где ранее энергия терялась бесцельно. Благодаря простоте конструкции и относительной дешевизне материалов, TENGs могут дополнить существующие источники энергии, особенно там, где подключение к традиционной сети невозможно или экономически невыгодно.

Научные ограничения

Несмотря на перспективы, фундаментальные вопросы остаются открытыми. До сих пор ученые точно не знают, почему и как именно происходит перенос зарядов при контакте материалов на микроскопическом уровне — это остается предметом дискуссий между исследователями физики поверхности. Сам эффект трибоэлектризации природа описывает эмпирически, но механизмы переноса электронов и ионов в разных материалах все еще изучаются.

Кроме того, эффективность трибоэлектрических компонентов пока не позволяет им конкурировать с традиционными источниками энергии на больших мощностях. Эти системы скорее дополняют энергетическую экосистему, нежели заменяют привычные генераторы и аккумуляторы. Вопросы долговечности, стабильности и долговременного поведения материалов при многократных циклах также требуют дальнейшей проработки.

Ранее мы писали, когда мы получим неограниченный источник энергии.