Disse støvler blev lavet til at generere strøm

James Wimshurst var en ingeniør og opfinder fra det 19. århundrede, der udtænkte en fascinerende maskine til at generere højspændinger. Maskinen, der nu bærer hans navn, består af to modsat roterende skiver forsynet med metallapper.

Skiverne er i kontakt med to metalliske børster forbundet til et par metalkugler adskilt af et lille mellemrum. Børsterne opfanger ladning fra skiverne, som bygger på kuglerne, så der til sidst springer en gnist hen over mellemrummet mellem dem. Mekanismen, der oplader kuglerne, er elektrisk induktion, som forstærker enhver lille ladning på metalpletterne.

I det 19. og det tidlige 20. århundrede brugte fysikere og ingeniører Wimshurst-maskiner og lignende enheder til at drive røntgenmaskiner og endda partikelacceleratorer. Men i dag er disse maskiner sjældne og bruges kun i videnskabsmuseer og klasseværelser for at demonstrere principperne for elektrostatik.

I dag kan det ændre sig takket være arbejdet fra Maria Napoli og kolleger ved University of California, Santa Barbara, som har genopfundet Wimshurst-maskinen til det 21. århundrede. Disse folk har skabt en mikrofluidisk version, der kan høste energi fra miljøet og omdanne den til brugbar kraft.

I den nye enhed strømmer dråber af kviksølv i olie gennem en kanal, der er skåret ind i et ark PDMS (polydimethylsiloxan) plast. Kanalen fører kviksølvdråberne forbi hinanden i modsatte retninger, ligesom de modsat roterende skiver i en konventionel Wimshurst-maskine.

Elektroder indlejret i den mikrofluidiske kanal bortfører ladningen, efterhånden som den opbygges. Men i stedet for at skabe gnister, kan denne ladning bruges som strøm. Napoli og co beregner, at et kredsløb i centimeterskala med kanaler, der kun er 300 mikrometer brede, med kviksølvdråber, der flyder med en hastighed på 10 millimeter i sekundet, kunne generere omkring 12 mikrowatt strøm.

Holdet har bygget en proof-of-principle enhed til at teste ideen. Den mikrofluidiske Wimshurst-maskine består af en hovedkanal, der kun er fem centimeter lang, og som bærer nogle få kubikmillimeter kviksølv. Den genererer en lille brøkdel af den teoretiske maksimale effekt - kun fire nanowatt.

Men dette forstyrrer ikke holdet. Mikrofluidik tillader en række forbedringer, der ikke er mulige med solid-state-enheder, såsom ændring af bredden og adskillelsen af ​​kanalerne og bedre kontrol af dråbestørrelsen og -fordelingen.

Beregninger indikerer, at ligefremme forbedringer af geometrien burde være i stand til at øge udgangseffekten af ​​en enkelt-kanal enhed med op til tre størrelsesordener, siger de.

Desuden kan flere kanaler nemt køres i serie eller parallelt for at generere endnu mere strøm. Og en stor fordel ved denne form for mikrofluidisk enhed i forhold til andre energihøstere er, at den ikke behøver at køre med en resonansfrekvens.

Napoli og co studerer det potentielle output af denne form for enhed drevet af en membranpumpe i hælen på en støvle. Hvis man antager, at en person kan gå med en hastighed på et skridt i sekundet, kan en pumpe på to centimeter i diameter give nok flow til 250 parallelle mikrofluidkanaler, som tilsammen ville producere en effekt på omkring 10 milliwatt, siger Napoli og co.

Det er omtrent nok til at drive laseren i et DVD-drev, og et lovende beløb for forskellige lavenergi-kommunikationsenheder og sensorer, der er under udvikling.

Der er derfor god grund til at forvente, at en opskaleret version af vores prototype-enhed kunne være bærbar, praktisk og tilstrækkelig kraftfuld til en række forskellige anvendelser af energihøst, konkluderer de.

Selvfølgelig er der udfordringer forude. Et vigtigt spørgsmål hænger over holdbarheden af ​​sådan en enhed i betragtning af det hamrende stød, som støvler gennemgår i løbet af deres levetid. Men det er et udviklingsspørgsmål, teamet kan arbejde med.

Måske varer det ikke længe, ​​før den bedste måde at genoplade en telefon på er at trække på et par pumper og løbe. Wimshurst ville helt sikkert blive forbløffet.

Ref: arxiv.org/abs/1803.02454 : Energihøst med en flydende-metal mikrofluidisk indflydelsesmaskine

skjule