Станет ли паркетный пол источником электроэнергии?

Исследователи из Empa и ETH Zurich сделали древесину сжимаемой и превратили ее в микрогенератор. Когда он нагружен, генерируется электрическое напряжение. Таким образом, древесина может служить биосенсором или генерировать полезную энергию. Изюминкой является то, что процесс не требует использования агрессивных химикатов: естественные древесные грибы берут на себя задачу модификации древесины.

Модифицированная древесина может генерировать электричество за счет деформации. Достаточно ли танго для тусклого света? 

Команда Инго Бургерта в Empa и ETH Zurich уже несколько раз доказала, что дерево можно использовать не только в качестве строительного материала. Её исследовательская работа направлена ​​на расширение существующих свойств древесины, что делает её пригодной для использования в совершенно новых областях. Так, например, создавалась высокопрочная, водоотталкивающая или намагничивающаяся древесина. Теперь вместе с исследовательской группой Empa во главе с Фрэнсисом Шварцем и Хавьером Риберой команда разработала простой и экологически чистый процесс генерации электрического напряжения с помощью деревянной губки, о чем они сообщили на прошлой неделе в известном журнале «Science Advances» .

Даже небольшое давление может вызвать электрическое напряжение в деревянной губке. Изображение: ACS Nano / Empa

Если вы хотите производить электричество из дерева, то приходится использовать так называемый пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектричество, — это электрическое напряжение создается за счет упругой деформации твердых тел. Это явление в основном используется в метрологии, где используются датчики, которые генерируют сигнал заряда, например, при приложении механической нагрузки. Однако в таких датчиках часто используются материалы, непригодные для использования в биомедицине, такие как цирконат-титанат свинца (PZT), который нельзя использовать на коже человека из-за содержащегося в нем свинца. Это также затрудняет экологическую утилизацию PZT и Co. Таким образом, возможность использовать естественный пьезоэлектрический эффект дерева дает ряд преимуществ. Если подумать, то этот эффект можно использовать даже для устойчивого производства энергии. Но в первую очередь древесине необходимо придать соответствующие свойства. Без специальной обработки она недостаточно гибкая, в связи с чем  при механическом воздействии в процессе деформации генерируется только очень низкое электрическое напряжение.

Вот как работает пьезоэлектрический наногенератор: после растворения жесткой деревянной конструкции остается гибкая целлюлозная сеть. 
Когда он сжимается, заряды разделяются, создавая электрическое напряжение. 
Изображение: ACS Nano / Empa

Цзяньго Сунь, аспирант в команде Бургерта, использовал химический процесс «делигнификации», который является основой для различных «улучшений» древесины, которые команда предприняла в последние годы. Стенки ячеек древесины состоят из трех основных материалов: лигнина, гемицеллюлозы и целлюлозы. «Лигнин — это то, что в первую очередь нужно дереву для того, чтобы вырасти до больших высот. Это было бы невозможно без лигнина в качестве стабилизирующего вещества, которое соединяет клетки и предотвращает коробление жестких целлюлозных волокон», — объясняет Бургерт. Чтобы превратить древесину в материал, который можно легко деформировать, лигнин должен хотя бы частично «экстрагироваться». Это достигается помещением древесины в смесь перекиси водорода и уксусной кислоты. Лигнин растворяется в этой кислотной ванне, оставляя каркас из слоев целлюлозы. «

Наногенератор: после растворения жесткой деревянной структуры (слева) кислотой остаются гибкие слои целлюлозы (в центре / справа). При сжатии разноименно заряженные области смещаются друг относительно друга. Поверхность материала становится электрически заряженной. Изображение: ACS Nano / Empa

Исследовательская группа подвергла испытательный куб с длиной стороны около 1,5 см примерно 600 циклам нагрузки. Материал показал поразительную стабильность. С каждой нагрузкой исследователи измерили напряжение около 0,63 В, которое можно использовать в качестве датчика. В дальнейших экспериментах команда попыталась выяснить возможную масштабируемость этого наногенератора. Они смогли показать, что 30 таких деревянных брусков, если они одновременно нагружены весом взрослого человека, уже загораются на простом ЖК-дисплее. При дальнейшей оптимизации процесса можно было бы также представить подобный «функционализированный» паркетный пол, преобразующий энергию ступеней в электричество. Исследователи проверили его пригодность в качестве чувствительного к давлению датчика на коже человека и показали, что технологию можно использовать в биомедицинских приложениях.

Однако работа, описанная в последней публикации команды Empa-ETH, идет еще дальше. Авторы задались целью изменить процесс таким образом, чтобы он больше не требовал использования агрессивных химикатов. Исследователи нашли подходящего кандидата, который смог провести делигнификацию в форме естественного биологического процесса. Им оказался гриб Ganoderma applanatum, известный в Украине, как плоский трутовик, вызывающий белую гниль древесины дуба и иных лиственных пород. «Грибок особенно нежно расщепляет лигнин и гемицеллюлозу в древесине. При этом процесс разложения легко контролировать», — говорит исследователь Empa Хавьер Рибера, объясняя свой выбор. 

Остается сделать еще несколько шагов, прежде чем «пьезо» дерево можно будет использовать в качестве датчика или деревянного пола, вырабатывающего электричество. Однако, уже сейчас очевидны преимущества такой простой и в то же время возобновляемой и биоразлагаемой пьезоэлектрической системы. Они будут исследоваться Бургертом и его коллегами в последующих проектах. Патент на изобретение в стадии оформления. Чтобы адаптировать технологию для промышленных приложений, исследователи уже ведут переговоры с потенциальными партнерами.

СТЕФАНИ ЦЕЛЛЕР и др. /в пересказе М.П./
По материалам СМИ, 15 -16 марта 2021 г.

Похожие записи

Добавить комментарий