مهندسان از ارتعاشات به خوبی بهره می برند تا  انرژی اینترنت اشیاء را تامین کنند

3 مه 2023 -توسط دانشگاه واترلو-اعتبار: CC0 دامنه عمومی

در دنیایی که تشنه انرژی پاک است، مهندسان ماده جدیدی ایجاد کرده اند که ارتعاشات مکانیکی ساده اطراف ما را به الکتریسیته تبدیل می کند تا حسگرهایی را در همه چیز، از پیس میکر گرفته تا فضاپیما، تامین کند.

اولین سیستم تولید کننده در نوع خود و محصول یک دهه کار محققان دانشگاه واترلو و دانشگاه تورنتو، سیستم تولید جدید فشرده، قابل اعتماد، کم هزینه و بسیار بسیار سبز است.

آصف خان، محقق واترلو و یکی از نویسندگان مطالعه جدید در مورد این پروژه، گفت: «پیشرفت ما با کاهش اتکای ما به منابع انرژی تجدید ناپذیر تأثیر اجتماعی و اقتصادی قابل توجهی خواهد داشت. ما در این لحظه بیش از هر زمان دیگری در تاریخ به این مواد مولد انرژی نیاز داریم.»

سیستمی که خان و همکارانش توسعه دادند، مبتنی بر اثر پیزوالکتریک است که با اعمال فشار (ارتعاشات مکانیکی یک مثال) به یک ماده مناسب، جریان الکتریکی تولید می‌کند.

این اثر در سال 1880 کشف شد و از آن زمان، تعداد محدودی از مواد پیزوالکتریک، مانند کوارتز و نمک‌های روشل، در فناوری‌هایی از سونار و تصویربرداری اولتراسونیک گرفته تا دستگاه‌های مایکروویو مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

مشکل اینجاست که تاکنون، مواد پیزوالکتریک سنتی که در دستگاه‌های تجاری استفاده می‌شوند، ظرفیت محدودی برای تولید برق داشته‌اند. آنها همچنین اغلب از سرب استفاده می کنند که خان آن را “مضر برای محیط زیست و سلامت انسان” توصیف می کند.

آنها با رشد یک بلور بزرگ از یک ترکیب مولکولی متال هالید به نام کلرید مس edabco با استفاده از اثر Jahn-Teller، یک مفهوم شیمی شناخته شده مرتبط با اعوجاج هندسی خود به خودی یک میدان کریستالی، شروع کردند.

خان گفت که سپس از مواد بسیار پیزوالکتریک برای ساخت نانو ژنراتورهایی با چگالی توانی بی سابقه استفاده شد که می تواند ارتعاشات مکانیکی کوچک را در هر شرایط دینامیکی، از حرکت انسان گرفته تا وسایل نقلیه خودرویی، در فرآیندی که نه به سرب و نه انرژی تجدید ناپذیر نیاز دارد، برداشت کند.

نانو ژنراتور کوچک است – 2.5 سانتی متر مربع و به ضخامت یک کارت ویزیت – و می تواند به راحتی در موقعیت های بی شماری استفاده شود. این پتانسیل توانمندسازی حسگرها در مجموعه وسیعی از دستگاه‌های الکترونیکی، از جمله میلیاردها دستگاه مورد نیاز برای اینترنت اشیاء را دارد – شبکه جهانی رو به رشد اشیاء تعبیه‌شده با حسگرها و نرم‌افزارهایی که داده‌ها را با دستگاه‌های دیگر متصل و مبادله می‌کنند.

دکتر دایان بان، محقق مؤسسه فناوری نانو واترلو، گفت که در آینده، ارتعاشات یک هواپیما می تواند سیستم های نظارت حسی آن را تقویت کند یا ضربان قلب یک فرد می تواند ضربان ساز بدون باتری را کار کند.

بان، استاد مهندسی برق و کامپیوتر گفت: «مواد جدید ما عملکرد رکوردشکنی را نشان داده است. این نشان دهنده یک مسیر جدید رو به جلو در این زمینه است.

این مطالعه در مجله Nature Communications منتشر شده است.