Zamislite gume koje pune vozilo dok se vozi, uličnu rasvetu koju pokreće tutnjava saobraćaja ili nebodere koji proizvode struju dok se zgrade prirodno njišu i drhte.
Ove energetske inovacije mogle bi biti moguće zahvaljujući istraživačima na Politehničkom institutu Rensselaer koji razvijaju ekološki prihvatljive materijale koji proizvode električnu energiju kada su kompresovani ili izloženi vibracijama.
U nedavnoj studiji objavljenoj u časopisu Nature Communications, tim je razvio polimerni film natopljen posebnim halkogenidnim perovskitnim jedinjenjem koje proizvodi električnu energiju kada se stisne ili pod stresom, što je fenomen poznat kao piezoelektrični efekat.
Dok drugi piezoelektrični materijali trenutno postoje, ovo je jedan od retkih materijala visokih performansi koji ne sadrži olovo, što ga čini odličnim kandidatom za upotrebu u mašinama, infrastrukturi kao i biomedicinskim aplikacijama.
„Uzbuđeni smo i ohrabreni našim otkrićima i njihovim potencijalom da podrže prelazak na zelenu energiju“, rekao je dr Nikhil Koratkar, dopisni autor studije i profesor Džon A. Klark i Edvard T. Krosan na Odseku mašinstva, vazduhoplovstva i nuklearnog inženjerstva.
„Olovo je toksično i sve se više ograničava i postepeno ukida iz materijala i uređaja. Naš cilj je bio da stvorimo materijal bez olova i koji bi se mogao napraviti jeftino koristeći elemente koji se obično nalaze u prirodi.“
Film za prikupljanje energije, koji je debeo samo 0,3 milimetra, mogao bi da se integriše u širok spektar uređaja, mašina i struktura, objasnio je Koratkar.
„U suštini, materijal pretvara mehaničku energiju u električnu energiju – što je veće opterećenje pritiska i što je veća površina na koju se pritisak primenjuje, to je veći efekat“, rekao je Koratkar. „Na primer, mogao bi da se koristi ispod autoputeva za proizvodnju struje kada se automobili voze preko njih. Takođe bi se mogao koristiti u građevinskom materijalu, stvarajući električnu energiju kada zgrade vibriraju.“
Piezoelektrični efekat se javlja u materijalima koji nemaju strukturnu simetriju. Pod stresom, piezoelektrični materijali se deformišu na takav način da se pozitivni i negativni joni unutar materijala razdvoje. Ovaj „dipolni moment“, kako je naučno poznato, može se iskoristiti i pretvoriti u električnu struju.
U materijalu halkogenidnog perovskita koji je otkrio RPI tim, strukturna simetrija se može lako prekinuti pod stresom, što dovodi do izraženog piezoelektričnog odgovora.
Kada su sintetizovali svoj novi materijal, koji sadrži barijum, cirkonijum i sumpor, istraživači su testirali njegovu sposobnost da proizvodi električnu energiju podvrgavajući ga različitim telesnim pokretima, kao što su hodanje, trčanje, pljeskanje i tapkanje prstima.
Istraživači su otkrili da je materijal tokom ovih eksperimenata proizvodio električnu energiju, dovoljno da čak i napaja LED diode koje su precizirale RPI.
„Ovi testovi pokazuju da bi ova tehnologija mogla biti korisna, na primer, u uređaju koji nose trkači ili biciklisti koji osvetljava svoje cipele ili kacige i čini ih vidljivijima. Međutim, ovo je samo dokaz koncepta, kao što bismo želeli da na kraju videti da se ova vrsta materijala primenjuje u velikim razmerama, gde zaista može da napravi razliku u proizvodnji energije“, rekao je Koratkar.
Napred, Koratkarova laboratorija će istražiti celu porodicu halkogenidnih perovskitnih jedinjenja u potrazi za onima koja pokazuju još jači piezoelektrični efekat. Veštačka inteligencija i mašinsko učenje mogli bi se pokazati korisnim alatima u ovoj potrazi, rekao je Koratkar.
„Održiva proizvodnja energije je od vitalnog značaja za našu budućnost“, rekao je dr Shekhar Garde, dekan Tehničke škole RPI. „Rad profesora Koratkar je odličan primer kako inovativni pristupi otkrivanju materijala mogu pomoći u rešavanju globalnog problema.“
