Получение электроэнергии механическим способом — очень важная задача, поскольку в окружающем мире множество вещей, которые находятся в постоянном движении: от морских волн до одежды на теле человека. Важность задачи привлекает в эту область огромное количество исследователей. В результате, сейчас существует несколько способов сбора механической энергии, но у многих из них имеются определённые недостатки.

Например, электромагнитные генераторы энергии страдают от низкой удельной мощности и высокой стоимости ватта, если масштабировать их до миллиметровых размеров. Пьезоэлектрические и ферроэлектрические харвестеры хорошо подходят для высокочастотных маленьких деформаций, особенно на резонирующих сверхвысоких частотах, но им не хватает эластичности для сбора энергии с больших деформаций. Есть ещё многообещающие трибоэлектрические харвестеры, а также методы сбора генерации электричества от взаимодействия текущих жидкостей, масса электрохимических методов, включая сбор энергии со деформации литиумных батарей и ионные полимер-металлические композитные харвестеры.

Для утилизации энергии от больших механических растяжений лучше всего подходят диэлектрики на резиновой основе. Тонкий лист эластомера помещается в бутерброд между двумя деформируемыми электродами. Для заряда высокоэластичного конденсатора применяется напряжение (VV) около 1000 В, в результате чего конденсатор получает заряд Q. При растяжении резиновый диэлектрик утоньшается, при этом растёт его ёмкостное сопротивление (CC), за счёт чего происходит изменение разности потенциалов Q=CV. Так и осуществляется генерация энергии.

Большая международная группа учёных из Университета Техаса в Далласе, Университета Ханян (Сеул) и других учебных заведений и исследовательских центров смогла усовершенствовать гибкие диэлектрики этого типа, использовав скрученные нанотрубки. С их помощью удалось снизить то большое напряжение, которое раньше приходилось использовать для заряда эластомера.

Учёные продемонстрировали скрученные нанотрубки, которые выдают до 250 Вт с килограмма без необходимости внешнего электропитания с пиковой эффективностью на 30 герцах, а также до 41,2 джоуля на килограмм на механический цикл, если нормализовать на вес нанотрубок.

По словам учёных, столь высокая выдаваемая мощность объясняется чрезвычайно плотной закруткой нанотрубок. При повышении плотности закрутки они фактически превращаются в обмотку — и характеристики КПД резко улучшаются.

На иллюстрации 1A внизу показаны разные методы закручивания нанотрубок, но в реальности использовалось конусное закручивание (первое слева). Диаметр харвестера от 50 до 70 мкм.

На иллюстрации 1F показано, что раскручивание нанотрубки на 8,5% (то есть 500 оборотов на метр) не приводит к утрате эффекта обмотки, а приводит только к увеличению диаметра обмотки и уменьшает вызванную закручиванием плотность. Но при этом обратимый диапазон удлинения (tensile strain range) возрастает с 30% до 50%, а зависимое от удлинения изменение сопротивления возрастает с 30% до 36%.

По мнению учёных, такие харвестеры можно использовать в разных областях:

• сбор энергии морских волн
• преобразование тепловой энергии в электричество (вместе с искусственными мускулами, движимыми теплом)
• нанотрубки можно встраивать в ткань и использовать для питания LED и для подзарядки встроенного конденсатора

Важно заметить, что это не чисто теоретическое исследование. Учёные действительно собрали действующий генератор энергии от морских волн на закрученных нанотрубках и испытали его в Японском море. При температуре воды 13°С, частоте волн от 0,9 Гц до 1,2 Гц генератор между баллоном и грузилом был ограничен в максимальном растяжении 25%. Десятисантиметровый модуль с закрученными нанотрубками весом 1,08 мг показал пиковое напряжение 46 мВ и среднюю выходную мощность 1,79 мкВт. Как показано на иллюстрации 4B, при использовании большего количества харвестеров напряжение может возрастать до любого значения.

«Если удастся удешевить наши твистроновые харвестеры, то они могут собирать огромное количество энергии с морских волн, — говорит д-р Рей Баугман, директор NanoTech Institute и один из авторов научной работы. — Однако в данный момент они лучше всего подходят для энергопитания сенсоров и сенсорных коммуникаций. Харвестер на скрученных углеродных нанотрубках весом всего 31 мг может обеспечить энергию, необходимую для передачи 2-килобайтных пакетов данных на расстояние до 100 м каждые 10 секунд в Интернете вещей».

Научная статья опубликована 25 августа 2017 года в журнале Science (doi: 10.1126/science.aam8771, pdf). В ней описан процесс изготовления скрученных нанотрубок. Среди 29 авторов статьи — Юлия Быкова из Центра нанонаук и технологий Lintec of America в Ричардсоне (Техас), что тоже приятно, всё-таки российская система образования ещё даёт какой-то результат.