Een draagbaar apparaat voor het verzamelen van energie kan tijdens het wandelen of joggen energie opwekken uit de zwaai van een arm, volgens een team van onderzoekers van Penn State's Materials Research Institute en de University of Utah. Het apparaat, ongeveer zo groot als een polshorloge, produceert voldoende stroom om een ​​persoonlijk gezondheidsmonitoringsysteem te laten werken.

"De apparaten die we maken met behulp van onze geoptimaliseerde materialen werken ergens tussen de 5 en 50 keer beter dan al het andere dat is gemeld, " zei Susan Trolier-McKinstry, de Steward S. Flaschen hoogleraar Materials Science and Engineering en Electrical Engineering, Penn State.

Er is veel vraag naar apparaten voor het oogsten van energie voor de miljoenen apparaten waaruit het internet der dingen bestaat. Door continu stroom te leveren aan een oplaadbare batterij of supercondensator, energieoogstmachines kunnen de arbeidskosten verlagen voor het vervangen van batterijen wanneer ze defect raken en houden lege batterijen uit de vuilstort.

Bepaalde kristallen kunnen een elektrische stroom produceren wanneer ze worden gecomprimeerd of ze kunnen van vorm veranderen wanneer een elektrische lading wordt aangebracht. Dit piëzo-elektrisch effect wordt gebruikt in ultrasone en sonarapparaten, evenals het oogsten van energie.

In dit werk, Trolier-McKinstry en haar voormalige promovendus, Hong Goo Yeo, een bekend piëzo-elektrisch materiaal gebruikt, PZT, en bekleedde het aan beide zijden van een flexibele metaalfolie tot een dikte die vier of vijf keer groter was dan in eerdere apparaten. Een groter volume van het actieve materiaal staat gelijk aan het genereren van meer vermogen. Door de kristalstructuur van de film te oriënteren om de polarisatie te optimaliseren, de prestatie - bekend als het cijfer van verdienste - van het oogsten van energie werd verhoogd. De drukspanningen die in de film worden gecreëerd wanneer deze op de flexibele metaalfolies groeit, betekent ook dat de PZT-films hoge spanningen kunnen weerstaan ​​zonder te barsten, wat zorgt voor robuustere apparaten.

"Er waren enkele goede materiaalwetenschappelijke uitdagingen, " Trolier-McKinstry zei over dit werk, gerapporteerd in een online early view-editie van Geavanceerde functionele materialen voorafgaand aan gedrukte publicatie. "De eerste was hoe we de filmdikte hoog konden krijgen op een flexibele metaalfolie. Daarna moesten we de juiste kristaloriëntatie krijgen om het sterkste piëzo-elektrische effect te krijgen."

Medewerkers van de Universiteit van Utah en de afdeling Werktuigbouwkunde van Penn State ontwierpen een nieuw polshorloge-achtig apparaat waarin de PZT/metaalfoliematerialen zijn verwerkt. Het apparaat maakt gebruik van een vrij roterende, excentrische messing rotor met een magneet ingebed, en meerdere PZT-stralen met een magneet op elke straal. Wanneer de magneet op de rotor een van de bundels nadert, de magneten stoten elkaar af en buigen de straal af, het plukken van de straal in een proces dat frequentie-up-conversie wordt genoemd. De langzame frequentie van een roterende pols wordt omgezet in een oscillatie met een hogere frequentie. Het ontwerp van dit apparaat is efficiënter dan een standaard elektromagnetische oogstmachine, zoals die worden gebruikt in zelfaangedreven horloges, volgens Trolier-McKinstry.

Bij toekomstig werk, het team gelooft dat ze het vermogen kunnen verdubbelen met behulp van het koude sinterproces, een synthesetechnologie bij lage temperatuur ontwikkeld in Penn State. In aanvulling, de onderzoekers werken aan het toevoegen van een magnetische component aan de huidige mechanische oogstmachine om energie op te vangen over een groter deel van de dag wanneer er geen fysieke activiteit is.