Mikrobaterije - majhne v velikosti a velike v moči in energiji. Nova baterijska revolucija?

Raziskovalci Univerze Illinois so uspeli izdelati izredno majhne baterije, ki pa hkrati omogočajo veliko kapaciteto in hitro polnenje in praznenje. Ravno to, kar potrebuje moderna elektronska industrija za razvoj novih mobilnih miniaturnih naprav. Izdelane mikrobaterije omogočajo gostoto moči do 7.4 mW cm⁻² μm⁻¹, kar je enako ali celo bolje od večine superkondenzatorjev in hkrati 2000x bolje kot druge mikrobaterije. Temelj izboljšave je tridimenzionalna struktura elektrod, ki so jo uspeli dobiti tako, da so najprej nanesli polistirenske mikrokroglice, ki so jih nato sintrali na 96 stopinjah ter nato elektrodeponirali nikelj. Ko so odstranili mikrokroglice je ostala 3D struktura iz niklja in veliko praznega prostora. To pa je osnova za dobro baterijo ali kondenzator. Velika aktivna površina.... 


Viri:
Small in size, big on power: New microbatteries a boost for electronics | News Bureau | University of Illinois
http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n4/full/ncomms2747.html

3D printanje z dodajanje električno prevodnih poti

Takšen printer imel bi tudi jaz. Počasi bo nastopil čas, ko se bo potrebno poigrati s kakšno od teh napravic. Očitno je zmogljivost 3D printerjev vedno večja, s tem, da se je izkazalo, da je mogoče naprintati tudi električno prevodne dele, pa je postala zadeva še bolj uporabna.




PLOS ONE: A Simple, Low-Cost Conductive Composite Material for 3D Printing of Electronic Sensors

Razgradljiva (tranzientna) elektronika

Ideja je odlična: kot imamo razgradljivo embalažo, bi lahko imeli tudi razgradljivo elektroniko. Da je to izvedljivo, so pokazali raziskovalci Univerze Illinois (University of Illinois, Dr. John Rogers). Izdelali so razgradljive senzorje temperature, sončne celice, miniaturne digitalne kamere itd. Elektronika je zaščitena s posebno plastjo, ki se čez čas razkroji. Od števila zaščitnih plasti je odvisno, kako hitro se elektronika razgradi.Trenutno  so sposobni narediti zaščitne plasti, ki zdržijo več tednov, želja pa je, da bi zdržale tudi več let.

Uporabnost izdelane razgradljive elektronike so prikazali tako, da so izdelali elektronsko vezje, ki so ga vbrizgali v okuženo miško. Elektronika se je uspešno spopadla in premagala okužbo in se nato še sama razgradila (naprava je proizvajala toploto in s tem preprečevala rast bakterij).

V napravo jim je uspelo integrirati tudi piezoelektrik (cinkov oksid), ki bi lahko ob vibriranju oz. premikanju služil kot vir energije potrebne za delovanje vezja.

Viri:

Science Daily: New 'Transient Electronics' Disappear 

When No Longer Needed

American Chemical Society (ACS) (2013, April 8). New 'transient electronics' disappear when no longer needed. ScienceDaily. Retrieved April 9, 2013, from http://www.sciencedaily.com­/releases/2013/04/130408122310.htm

Hibridni generator energije: piezoelektrik in akumulator

Piezoelektriki niso nič novega. Znano je, da ob stisku piezoelektrika pride do prerazporeditve naboja, kar se odraža v napetosti, ki jo lahko zaznamo na površini.  (Hkrati je možno z vzpostavitvijo napetosti med plastjo piezoelektrika doseči mehansko spremembo le tega). To je mogoče s pridom izkoristiti v  različne namene, en od vedno bolj interesantnih je sprotna generacija naboja za napajanje elektronskih naprav.
Znanstvenikom iz Georgia Institute of Technology je uspelo še nekaj več: izdelali so t.i. hibridni element, ki hkrati vsebuje piezoelektrik, ki generira naboj in posebno membrano, ki omogoča prehod litijevih ionov le v eno smer in s tem deluje kot elektrokemijski akumulator, ki pretvarja mehansko energijo v elektrokemijsko. S tem so dve napravi združili v eni kar omogoča mnogo bolj učinkovito zbiranje in hranjenje energije.

The power cell consists of a cathode made from lithium-cobalt oxide (LiCoO2) and an anode consisting of titanium dioxide (TiO2) nanotubes grown atop a titanium film. The two electrodes are separated by a membrane made from poly(vinylidene fluoride) (PVDF) film, which generates a piezoelectric charge when placed under strain. When the power cell is mechanically compressed, the PVDF film generates a piezoelectric potential that serves as a charge pump to drive the lithium ions from the cathode side to the anode side. The energy is then stored in the anode as lithium-titanium oxide.

Vir: Researchers Develop a Self-Charging Power Cell | SciTech Daily

Nanocevke, ki izgledajo kot niti za tkanje in hkrati kot električne žice

Nanomateriali vedno znova presenečajo z raznovrstnostjo odzivov, ki jih težko ali celo ne moremo pričakovati od "običajnih" materialov. Znanstveniki Univerze Rice, Nizozemskega podjetja Teijin Aramid, Ameriške U.S. Air Force in Izraelskega Technion Institute so nedavno v reviji Science objavili razvoj karbonskih nanocevk (CNT) s posebnimi lastnostmi. Posebnost teh nanocevk je v tem, da so hkrati fleksibilne kot niti za tkanje in imajo hkrati izjemne termične in prevodne lastnosti, podobno kot bakrene žice.  

Slika: žarnica visi na tanki nitki iz prevodnih karbonskih vlaken.





New Nanotech Fiber Looks Like Thread, Acts Like Wire :: Medical Design Briefs

LumEN: LUMINISCENČNI SOLARNI KONCENTRATORJI

Ideja je zajeti sončno svetlobo (sevanje) v relativno poceni material (PMMA) in jo ujeti, tako, da se odbija od površine in pride do sončnih celic, ki spremenijo svetlobo v električno energijo. Prednost je v tem, da gre v bistvu za neke vrste koncentratorje, saj je zajem sevanja na relativno veliki površini, na robu pa so lahko zelo kakovostne sončne celice z visokim izkoristkom.


LumEN: Luminescent Solar Concentrators for Sustainable On-Demand Electricity Production :: Create the Future Design Contest

Vpliv vina na superprevodnost

Superprevodnost je vedno popularna tema. Ko je predmet ohlajen dovolj močno, preide v superprevodno stanje, ki je značilno po tem, da je v tem stanju njegova električna upornost enaka nič. Hkrati tak predmet ne omogoča prehajanja magnetnega polja in s tem  omogoča njegovo levitacijo v magnetnem polju. Efekt superprevodnosti ima tudi komercialno zanimive aplikacije. Kdaj drugič več o tem. Eden od glavnih problemov manjše uporabe efekta superprevodnosti je v tem, da je potrebno predmet izredno močno ohladiti, predno postane superprevoden. Zato je iskanje materialov, ki omogočajo doseganje efekta superprevodnosti pri višji temperaturi zelo popularno.

Japonska skupina raziskovalcev je (v pomanjkanju bolj racionalnih idej ali morda za zabavo) poskusila povišati t.i. kritično temperaturo tako, da so osnovni superprevodni material obdelati z vinom in tako spremeniti njegove superprevodne lastnosti. Izkaže se, da je v te namene najučinkovitejše francosko vino in sicer Beaujolais (beri "bužule") (vrsta Gamay - beri game). Preverili so seveda tudi druga fancoska vina (merlot, kabernet, pinot, sauvignon itd). A bužule je najbolši.  O tem so objavili celo resen znanstveni članek v reviji z odprtim dostopom: Tartaric acid in red wine as one of the key factors to induce superconductivity in
FeTe0.8S0.2 (http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1203/1203.4503.pdf). Raziskali so tudi vzrok za to posebnost bužuleja. In sicer naj bi se skrival v tartarični kislini (karkoli to že je), kar so dokazali tako, da so jo izolirali in nato z zmešano v vodi dobili podobne rezultate. Ne pa čisto enake, kar nakazuje, da je v magičnem bužuleju še kaj več kar vpliva na superprevodne lastnosti.
Potrebno je omeniti, da so poskusili tudi z različnimi vrstmi piva, sake, itd. Zelo verjetno pa niso poskusili naših vin, kaj šele raznih zvarkov, ki jih znamo v Sloveniji narediti iz odpadnega sadja. Torej je nekaj prostora še za naše raziskovalce superprevodnosti):


Viri:

• http://www.physorg.com/news/2011-05-red-wine-clue-superconductive-future.html
• http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1203/1203.4503.pdf
• http://www.physorg.com/news/2011-05-red-wine-clue-superconductive-future.html
• http://www.popsci.com/science/article/2012-03/light-bodied-beajoulais-creates-iron-based-superconductors

Osvetlite si šotor

Včasih je ideja stara, pa še vedno zanimiva. Vsaj zame. Na primer, že leta 2007 je ScienceDaily poročal o svetlobnih panelih, ki so fleksibilni in enostavni za uporabo. Kot primer uporabe so navedli uporabo v šotoru, kjer ima določen del šotora fleksibilno blago, ki sveti. Kako delujejo?  Gre za elektroluminiscenčne večplastne strukture, ki vsebujejo plast fosforja, ki zasveti ob naletu energetiziranega delca (ki mu ob trku preda del energije, ki preide v svetlobno). Izdelava izgleda (glej video) precej preprosta - dovolj je naprava za sitotisk.

Zakaj ta tehnologija ni bolj razširjena dandanes. Kot kaže je kar nekaj ovir na poti, da zadeva ni bolj razširjena. Prvič zahteva kar nekaj napajanja, kar ni eksplicitno omenjeno vendar, če zadeva deluje podobno kot fosforescenčni zasloni, napetost navadne baterije ne bo dovolj, da bi se fosfor predramil. Očitno tudi cena ni zanemarljiva, saj je potrebno fosforescenčno snov nanesti na transparenten material, ki mora imeti hkrati nanešeno tanko prevodno plast, itd., itd. Nekaj dobro razčlenjenih razlogov se najde v prispevku: http://www.omnexus.com/resources/editorials.aspx?id=24670 , v katerem razložijo, zakaj gre trenutno tehnologija v prid poceni LED osvetlitev.

Vir: Light up tents:  http://www.sciencedaily.com/videos/2007/0606-light_up_tents.htm

Nekateri so za hladno

Večkrat se pojavi potreba po hlajenju določenih delov naprav, ki se izredno močno segrevajo in ob pregretju lahko povzročijo poškodbe in dokočno okvaro. Obstaja seveda več načinov odvajanja toplote, enega zanimivejših sem spremljal tudi sam ob doktoratu kolega Boštjana Žagarja, ki je uporabil Peltierove elemente na kritičnih mestih naprav za vbrizgavanje plastike. Morda še bolj inovativen pristop pa prihaja iz Nase, ki so v podoben namen uporabili elektrohidrodinamski princip (EHD).
Princip EHD opisuje zgornja slika. Potrebujemo naelektrene delce, kar ni tak problem. Vzpostaviti je potrebno le električni tok med dvema elektrodama in nosilci tega toka predstavljajo nelektrene delce, na katere bo nato delovala sila. V ta neman potrebujemo še magnetno polje, sila pa deluje pravokotno tako na smer gibanja nabojev kot na smer magnetnega polja (F=QvxB). Q je električni naboj (elektrina), v hitrost, B pa magnetno polje, ki ga vzpostavimo s tokom v spodaj ležeči tuljavici, kot prikazuje slika na sredini.
Fizikalni princip je torej znan že dolgo, je pa morda pri Nasi originalna ideja, da se zadevo ne uporabi le kot pumpico pač pa kot miniaturni odvajalnik toplote. In to seveda, za miniature leteče predmete, kaj bi drugega pričakovali od njih.

In kako se realizira takšne naprave. Tako kot mnogo podobnih, z uporabo MEMS tehnologije, ki sem jo omenil že mnogokrat (in jo verjetno tudi še bom):.


Vir:

Making Hot, Way Cool New Thermal-Control Technology to be Demonstrated this Spring: http://www.nasa.gov/topics/technology/features/thermal-control-tech.html 

Sončne celice iz papirja

Vse okoli zelene energije se vedno bolj vrti okoli izrabe sončne energije. Čez deset let bo imel vsak na strehi module za proizvodnjo električne energije, če ne drugega, jo bomo uporabili za poganjanje domačih računalnikov. Ali pa če bi morda za par stopinj ohladili sobo...
Vse je seveda odvisno od cene, zato ne preseneča, da je raziskav na področju izkoriščanja sončne energije vedno več. Zanimiv se mi zdi koncept sončne celice na papirju, ki obeta izdelavo izredno poceni sončnih modulov. Italijanska tovarna Eni in znana ameriška univerza MIT imata dogovor o razvoju in komercializaciji takih materialov. Njihova posebnost je predvsem nizka cena in so zato nemenjene za tiste aplikacije, kjer ni potrebna zelo robustna in dolgotrajna raba.

V podobno smer gredo tudi Nemci (še posebno zdaj, ko so se namenili zapreti nuklearke bodo morali potiskati kar nekaj sončnega papirja) s projektom MOPS (Mass printed organic paper solar cells), ki si obetajo printanje sočnih celic kar z navadnim printerjem.

Sam imam že nekaj zamisli, kako to tehnologijo uporabiti ....
Go for it.

Vir:

Paper solar cells by 2015,  http://www.plusplasticelectronics.com/energy/paper-solar-cells-by-2015-31102.aspx