پژوهشگران با استفاده از پلیمرهای رسانای انعطاف پذیر و الگوهای مداری نوین چاپ شده بر روی کاغذ اثبات مفهوم مولدهای ترموالکتریک پوشیدنی را نشان دادند، که می توانند انرژی را از حرارت بدن گرفته، و برق مورد نیاز بیوحسگرهای ساده را برای اندازه گیری ضربان قلب، تنفس یا سایر عوامل تأمین کنند.
به دلیل الگوی های سیم کشی فراکتال متقارن آنها، می توان این دستگاه ها را به اندازه های مورد نیاز برای تأمین نیازهای ولتاژ و برق برای برنامه های خاص برش زد. می توان مولدهای مدولار را به صورت جوهر افشان بر روی زیرلایه های انعطاف پذیر، از جمله منسوجات، چاپ کرد، و با استفاده از فناوری پردازش شبکه ای ارزان قیمت ساخت.
به گزارش سرویس ترجمه نساجی امروز، اکانکشا منون، دانشجوی دکترا در دانشکده مهندسی مکانیک وودراف در مؤسسه فناوری جورجیا می گوید : « جذابیت مولدهای ترموالکتریک این است که گرما همه جا در اطراف ما وجود دارد. اگر بتوانیم کمی از این گرما را مهار کنیم و آن را به برق ارزان تبدیل کنیم، ارزش زیادی دارد. ما بر روی چگونگی تولید برق از گرمای بدن کار می کنیم ».
این پژوهش، که توسط شرکت پپسی‌کو و دفتر پژوهش علمی نیروی هوایی انجام شده، در روز 28 سپتامبر در مجله آنلاین فیزیک کاربردی منتشر شده است.
مولدهای ترموالکتریک، که انرژی حرارتی را به صورت مستقیم به برق تبدیل می کنند، چندین دهه است که در دسترس قرار دارند، اما طرح های استاندارد مواد غیر آلی انعطاف ناپذیری را به کار می برند که برای استفاده در دستگاه های پوشیدنی بسیار سمی هستند. خروجی برق به تفاوت های دما بستگی دارد، که می تواند بین دو طرف مولد ایجاد شود، که این امر وابستگی به گرمای بدن را چالش برانگیز می کند. به دست آوردن انرژی حرارتی کافی از یک ناحیه تماس کوچک بر روی پوست چالش را افزایش می دهد، و مقاومت داخلی در دستگاه در نهایت خروجی برق را محدود می کند.
به گزارش سرویس ترجمه نساجی امروز، برای غلبه بر این مشکل، منون و همکارانش در آزمایشگاه استادیار شانون یی دستگاهی را طراحی کردند که متشکل از هزاران نقطه تشکیل شده از پلیمرهای متناوب نوع P و نوع N است، که در یک طرح بسیار نزدیک به هم بسته بندی شده اند.
الگوی آنها به دلیل تراکم های بسته بندی بزرگ فعال شده توسط چاپگرهای جوهر افشان، گرمای بیشتری را در یک منطقه واحد تبدیل می کنند. با قرار دادن نزدیکتر به هم نقاط پلیمری، طول اتصال کاهش می یابد، که این امر به نوبه خود باعث کاهش مقاومت کلی شده و منجر به خروجی بالاتر از دستگاه می شود.
کیارش گوردیز، همکار پژوهش که همزمان با دوره دانشجویی دکترای خود در مؤسسه فناوری جورجیا بر روی پروژه کار کرده است، می گوید: « به جای اتصال نقاط پلیمری با یک الگوی سیم کشی مارپیچ سنتی، ما از الگوهای سیم کشی بر اساس منحنی های پرکننده فضا، مانند: الگوی هیلبرت، که یک منحنی پرکننده فضای متوالی است، استفاده می کنیم، مزیت این کار این است که الگوهای هیلبرت سازگاری سطح و خود موقعیت یابی را میسر می سازند، و این امر دمای یکنواخت تری را برای دستگاه فراهم می کند ».
به گزارش سرویس ترجمه نساجی امروز، طراحی مدار جدید مزیت دیگری نیز دارد؛ طراحی متقارن فراکتالیکی باعث می شود که مدول ها در امتداد مرزهای بین مناطق متقارن برش داده شوند تا دقیقا ولتاژ و برق مورد نیاز برای یک برنامه خاص را فراهم کنند. این موضوع نیاز به مبدل های برق را کاهش می دهد، که باعث پیچیدگی بیشتر شده و برق را از سیستم می گیرد.
منون می گوید: « این موضوع در زمینه فناوری های پوشیدنی ارزشمند است، زیرا شما می خواهید تا آنجا که امکان دارد به اجزای کمتری نیاز داشته باشید. ما فکر می کنیم این امر می تواند روشی واقعا جالب برای گسترش استفاده از دستگاه های ترموالکتریک برای دستگاه های پوشیدنی باشد ».
تا کنون، دستگاه ها بر روی کاغذ معمولی چاپ شده اند، اما پژوهش گران شروع به بررسی استفاده از منسوجات ها کرده اند. هم کاغذ و هم منسوجات انعطاف پذیرند، اما منسوجات به راحتی می تواند به لباس متصل شود.
منون می گوید: « ما می خواهیم دستگاه خود را در منسوجات تجاری ای قرار دهیم که مردم هر روز آن را می پوشند. مردم با پوشیدن این منسوجات احساس راحتی خواهند کرد، اما آنها قادر خواهند بود برق مورد نیاز چیزی را فقط با گرمای بدنشان تأمین کنند ».
پژوهش گران انتظار دارند که با این طراحی جدید برق کافی برای تآمین انرژی حسگرهای کوچک، در محدوده میکرووات تا میلی وات را دریافت کنند. این میزان برق برای حسگرهای ساده ضربان قلب کافی است، اما برای دستگاه های پیچیده تر همچون ردیاب های تناسب اندام یا گوشی های هوشمند کافی نیستند. مولدها می توانند برای ضمیمه شدن به باطری ها مفید باشند، تا دستگاه ها بتوانند برای مدت زمان بیشتری کار کنند.
به گزارش سرویس ترجمه نساجی امروز، محافظت از مولدها در برابر رطوبت و تعیین میزان نزدیکی آنها به پوست برای انتقال انرژی حرارتی - و در عین حال راحت باقی ماندن برای پوشنده ها - از جمله چالش های پیش رو هستند.
پژوهش گران از مواد نوع P قابل خرید از بازار استفاده می کنند، و با شیمیدان ها در مؤسسه فناوری جورجیا همکاری می کنند تا پلیمرهای نوع n بهتری برای نسل های آینده دستگاه هایی ایجاد کنند، که بتوانند با تفاوت های دمای پایین در دماهای اتاق عمل کنند. در مقایسه با ۱۰۰ درجه برای مولدهایی که به عنوان بخشی از خطوط لوله و بخار به کار می روند، گرمای بدن تفاوت های دمایی به کمی 5 درجه تولید می کند.
یی، که مسئولیت اداره این آزمایشگاه را زیر نظر دانشکده مهندسی مکانیک وودراف اداره می کند، می گوید: « یکی از مزایای آتی این دسته از مواد پلیمری، وجود پتانسیل برای مواد ترموالکتریک فراوان و کم هزینه است که ذاتا رسانایی حرارتی پایین خواهند داشت. انجمن الکترونیک های آلی پیشرفت های زیادی در درک خواص الکترونیکی و نوری مواد مبتنی بر پلیمر داشته است. ما بر این اساس کار می کنیم که دانش لازم برای درک انتقال حرارتی و ترموالکتریکی در این پلیمرها را کسب کنیم، و بتوانیم قابلیت های دستگاه جدیدی را فعال کنیم ».
به گزارش سرویس ترجمه نساجی امروز، دستگاه های خنک کننده محلی در میان چشم اندازهای دیگر برای موادی که در حال توسعه هستند قرار دارند؛ این دستگاه های خنک کننده روند جذب حرارت را معکوس کرده، و از برق برای انتقال انرژی حرارتی از یک طرف دستگاه به دیگری استفاده می کنند. یی می گوید: « خنک کردن تنها بخش هایی از بدن می تواند تصور راحتی را بدون هزینه تهویه مطبوع فضای بزرگ فراهم کند ».