Российские ученые разработали первый отечественный трибоэлектрический наногенератор — устройство, преобразующее энергию трения в электричество. Благодаря изобретению пользователь получит возможность, например, заряжать свои гаджеты за счет случайных касаний во время ходьбы. Производители одежды из нашей страны готовы использовать технологию для создания вещей, генерирующих электричество. Подобные устройства также разрабатывают специалисты из США и Китая. Однако мощность российского ноу-хау достигла 170 В. Это почти вдвое больше, чем у иностранных аналогов.

Сила трения

Специалисты Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого разработали первый в России трибоэлектрический наногенератор(ТЭНГ). Это устройство способно преобразовывать механическую энергию трения в электричество. Если разместить разработку толщиной в несколько микрон, например, на одежде, то с ее помощью можно зарядить мобильный телефон просто от случайных касаний во время ходьбы. Благодаря изобретению ученым удалось сгенерировать напряжение до 170 В. Это почти вдвое больше, чем у аналогов, рассказали «Известиям» разработчики.

— В генерации электричества в ТЭНГ помимо эффекта электромагнитной индукции участвует эффект контактной электрификации, то есть разделения зарядов при контакте разнородных материалов. По сравнению с традиционными видами сбора энергии из окружающей среды метод получения энергии с помощью трибогенераторов почти не зависит от внешних условий и дает постоянный и стабильный источник энергии, например, при ходьбе или беге. Он использует случайную механическую энергию от контакта разных материалов при движении человека, машин, любых предметов окружающей среды. В большой степени эффект от работы генератора зависит от свойств пары материалов, вступающих в контакт, — рассказал профессор Высшей школы физики и технологий материалов СПбПУ Олег Толочко.

В настоящее время для преобразования механической энергии в электрическую массово используются электрогенераторы. Они работают на принципе электромагнитной индукции. То есть электричество вырабатывается за счет возникновения электрического поля в результате изменений магнитного поля, в свою очередь, вызываемого движением материального тела.

Однако для создания ТЭНГ ученые использовали физические законы, которые действуют при трении. Разработка дает энергию, используя эффекты контактной электрификации, то есть возникновения электричества при соприкосновении разных материалов, а также электростатической индукции, когда заряды появляются на поверхности проводника, помещенного в электрическое поле.

На практике это означает, что при соприкосновении двух разных материалов на их поверхностях генерируется равное количество положительных и отрицательных зарядов, а при разделении тел после контакта разность потенциалов вызывает протекание тока.

Способность материалов вырабатывать заряд в процессе контактной электрификации зависит от множества факторов как внешних (температура, влажность окружающей среды), так и внутренних (шероховатость поверхности, твердость, чистота, микроструктура), а также от их расположения. Поэтому, чтобы повысить мощность и улучшить другие важные характеристики своего устройства, разработчики создали специальные композиционные пленки толщиной в несколько микрон, состоящие из полимерной матрицы с добавлением углеродных наноструктур, например, фуллереновой углеродной сажи.

— Для того, чтобы получить энергию с помощью нашего устройства, нужно в течение некоторого времени, не более одной-двух минут, приводить его в действие в режиме вертикального разделения контактов, то есть хлопать, бить или топать с небольшим усилием, — сказал Олег Толочко.

Полученное таким образом электричество можно запасать в конденсаторе и питать любую технику. В планах создателей — разработать новый слой для применения в ТЭНГ, синтезировать новые композиты и модифицировать их микроструктуру, чтобы добиться более высокой мощности генератора.

Генератор в одежде

Российские производители одежды готовы использовать подобные технологии и внедрять их в свою продукцию. По их словам, новая разработка вполне может вызвать новые тренды в моде.

— Всё идет к таким технологиям. Если можно будет положить телефон во внутренний карман куртки и таким образом зарядить его, то такую вещь покупатель будет любить и носить дольше. Поэтому мода уйдет в сторону большей универсальности, чтобы инновационная одежда со всем сочеталась и подходила на несколько сезонов. Не важно, дождь или снег. Сейчас мы привыкли, что всегда с собой зарядка для телефона, а теперь войдет в привычку, что всегда в куртке, — сказала дизайнер одежды Марина Марими.

Однако, по мнению ее коллеги, дизайнера Фарруха Балтабаева, готовность производителей использовать в конструкции одежды генератор будет зависеть от его технических характеристик.

— Это интересная разработка. Но пока не понятно, как она будет взаимодействовать с тканью. Потребитель будет ее стирать и, насколько это практично, говорить рано, — сказал специалист.

Ученые разработали ТЭНГ с использованием интересной идеи — добавления наночастиц фуллереновой сажи в материалы на основе полимерных пленок, отметила доцент кафедры физических методов и приборов контроля качества УрФУ Юлия Кузнецова.

— Наночастицы способствуют повышению диэлектрической проницаемости вмещающего материала и, как следствие, улучшают выходные характеристик устройства: ток, напряжение и плотность мощности, — сказала она.

По словам эксперта, разработанный ТЭНГ перспективен для применения как в промышленной сфере, так и в повседневной жизни. Устройство может быть использовано, например, для создания датчиков движения или для портативных аккумуляторов для зарядки мобильных телефонов и умных часов.

Создатели продемонстрировали успешное использование разработки для питания различных электронных устройств. Например, ТЭНГ смог обеспечить работу 72 светодиодов, цифровых часов, кухонного таймера и спортивного секундомера. Это подтверждает его практическую применимость и эффективность в реальных условиях, отметил заведующий лабораторией перспективной солнечной энергетики Университета МИСИС Данила Саранин.