Un dispositivo indossabile per la raccolta di energia potrebbe generare energia dall'oscillazione di un braccio mentre si cammina o si fa jogging, secondo un team di ricercatori del Materials Research Institute di Penn State e dell'Università dello Utah. Il dispositivo, delle dimensioni di un orologio da polso, produce energia sufficiente per eseguire un sistema di monitoraggio della salute personale.
"I dispositivi che realizziamo utilizzando i nostri materiali ottimizzati funzionano da 5 a 50 volte meglio di qualsiasi altra cosa segnalata, " ha detto Susan Trolier-McKinstry, lo Steward S. Flaschen Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali e Ingegneria Elettrica, Penn State.
I dispositivi per la raccolta di energia sono molto richiesti per alimentare i milioni di dispositivi che costituiscono l'Internet delle cose. Fornendo alimentazione continua a una batteria ricaricabile o a un supercondensatore, i raccoglitori di energia possono ridurre il costo della manodopera per la sostituzione delle batterie quando si guastano e tenere le batterie scariche fuori dalle discariche.
Alcuni cristalli possono produrre una corrente elettrica quando vengono compressi o possono cambiare forma quando viene applicata una carica elettrica. Questo effetto piezoelettrico viene utilizzato nei dispositivi a ultrasuoni e sonar, così come la raccolta di energia.
In questo lavoro, Trolier-McKinstry e il suo ex studente di dottorato, Hong Goo Yeo, utilizzato un noto materiale piezoelettrico, PZT, e lo rivestì su entrambi i lati di una lamina metallica flessibile ad uno spessore quattro o cinque volte maggiore rispetto ai dispositivi precedenti. Un volume maggiore del materiale attivo equivale alla generazione di più potenza. Orientando la struttura cristallina del film per ottimizzare la polarizzazione, la performance - nota come figura di merito - dell'energy harvesting è stata incrementata. Le sollecitazioni di compressione che si creano nel film man mano che cresce sulle lamine metalliche flessibili significa anche che i film PZT possono sostenere elevate sollecitazioni senza rompersi, rendendo i dispositivi più robusti.
"Ci sono state alcune buone sfide nella scienza dei materiali, " Trolier-McKinstry ha detto di questo lavoro, riportato in un'edizione online in anteprima di Materiali funzionali avanzati prima della pubblicazione cartacea. "Il primo è stato come ottenere uno spessore elevato del film su una lamina metallica flessibile. Quindi abbiamo dovuto ottenere il corretto orientamento del cristallo per ottenere il più forte effetto piezoelettrico".
I collaboratori dell'Università dello Utah e del Dipartimento di ingegneria meccanica della Penn State hanno progettato un nuovo dispositivo simile a un orologio da polso che incorpora i materiali PZT/lamina di metallo. Il dispositivo utilizza una rotazione libera, rotore eccentrico in ottone con magnete incorporato, e più raggi PZT con un magnete su ogni raggio. Quando il magnete sul rotore si avvicina a uno dei raggi, i magneti si respingono e deviano il raggio, pizzicare il raggio in un processo che viene definito conversione in aumento di frequenza. La bassa frequenza di un polso rotante viene convertita in un'oscillazione a frequenza più elevata. Il design di questo dispositivo è più efficiente di un raccoglitore elettromagnetico standard, come quelli utilizzati negli orologi autoalimentati, secondo Trolier-McKinstry.
Nel lavoro futuro, il team crede di poter raddoppiare la potenza in uscita utilizzando il processo di sinterizzazione a freddo, una tecnologia di sintesi a bassa temperatura sviluppata a Penn State. Inoltre, i ricercatori stanno lavorando per aggiungere un componente magnetico all'attuale mietitore meccanico per recuperare energia per una parte più ampia della giornata quando non c'è attività fisica.
