Un sistema di gestione e accumulo dell'energia a due stadi potrebbe migliorare notevolmente l'efficienza dei generatori triboelettrici che raccolgono energia da movimenti umani irregolari come camminare, correre o toccare con le dita.

Il sistema utilizza un piccolo condensatore per catturare la corrente alternata generata dall'attività biomeccanica. Quando il primo condensatore si riempie, un circuito di gestione dell'alimentazione alimenta quindi l'elettricità in una batteria o in un condensatore più grande. Questo secondo dispositivo di memorizzazione fornisce corrente continua a tensioni appropriate per alimentare dispositivi indossabili e mobili come orologi, monitor cardiaci, calcolatrici, termometri e persino dispositivi di accesso remoto wireless per veicoli.

Abbinando l'impedenza del dispositivo di accumulo a quella dei generatori triboelettrici, il nuovo sistema può aumentare l'efficienza energetica da appena l'uno per cento fino al 60 per cento. La ricerca è stata riportata l'11 dicembre sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

"Con un generatore triboelettrico ad alto rendimento e questo circuito di gestione dell'energia, possiamo alimentare una vasta gamma di applicazioni dal movimento umano, " disse Simiao Niu, un assistente di ricerca laureato presso la School of Materials Science and Engineering presso il Georgia Institute of Technology. "Il primo stadio del nostro sistema è abbinato al nanogeneratore triboelettrico, e il secondo stadio è abbinato all'applicazione che alimenterà."

I nanogeneratori triboelettrici utilizzano una combinazione dell'effetto triboelettrico e dell'induzione elettrostatica per generare piccole quantità di energia elettrica da movimenti meccanici come rotazione, scivolamento o vibrazione. L'effetto triboelettrico sfrutta il fatto che alcuni materiali si caricano elettricamente dopo essere entrati in contatto in movimento con una superficie costituita da un materiale diverso. Però, l'uscita è in corrente alternata, che può alimentare applicazioni come l'illuminazione a LED, ma non è l'ideale per i dispositivi mobili.

La corrente alternata ordinaria può essere convertita in corrente continua utilizzando un trasformatore, ma un tale dispositivo richiede coerenza nel numero di cicli al secondo. Poiché le fonti di energia biomeccanica come camminare o battere le dita producono un'ampiezza fluttuante e frequenze variabili, non è possibile utilizzare un trasformatore standard. Inoltre, l'uscita da un generatore triboelettrico tende ad avere alta tensione e bassa corrente, mentre le applicazioni richiedono esattamente l'opposto:bassa tensione e corrente più elevata.

Per affrontare il problema, Niu e i suoi collaboratori sotto la supervisione del professor Zhong Lin Wang della Georgia Tech hanno sviluppato il loro sistema di gestione dell'alimentazione, che converte le ampiezze di potenza fluttuanti e le frequenze variabili in una corrente continua continua.

Il sistema di gestione dell'alimentazione può funzionare con qualsiasi generatore triboelettrico che produce un minimo di 100 microwatt. Il sistema richiede una certa potenza per funzionare, ma compensa aumentando l'uscita complessiva fino a 330 volte per raggiungere livelli di milliwatt.

"Non importa che tipo di movimento meccanico o quale frequenza di movimento meccanico hai fintanto che l'input di energia è alto, " ha detto Niu. "Questo è un passo fondamentale nella commercializzazione dei nanogeneratori triboelettrici perché apre una gamma di nuove applicazioni".

Con il tocco delle dita come unica fonte di energia, l'alimentatore fornisce una corrente continua continua di 1.044 milliwatt. L'unità può funzionare continuamente con il movimento, consentendo ai dispositivi di funzionare anche mentre il dispositivo carica la batteria o il condensatore.

Oltre l'elettronica portatile, Niu ritiene che il sistema potrebbe essere utile per alimentare reti di sensori, consentendo un funzionamento a lungo termine senza la necessità di sostituire le batterie.

"In una rete di sensori, avresti così tanti dispositivi che non potresti sostituire tutte le batterie, " ha detto. "Questa tecnologia permetterebbe di alimentare i sensori raccogliendo energia dall'ambiente e quindi fornendo direttamente energia per ogni componente della rete".

Con il circuito di gestione dell'energia dimostrato in questo proof-of-concept, il prossimo passo sarà miniaturizzare i circuiti per adattarli a un sistema complessivo, disse Zhong Ling Wang, un professore di Regents presso la Georgia Tech School of Materials Science and Engineering che ha guidato lo sviluppo dei nanogeneratori triboelettrici originali.

"This new device provides a bridge between the triboelectric nanogenerator and many different types of applications, " he said. "This work will allow us to build a package that can power wearable and mobile devices from the motion of humans. With constant output from a battery or large capacitor, you can drive just about any device that you want."

The power management system could also be applied to piezoelectric and pyroelectric generators, which also produce alternating current.

Nel 2012, Wang and his research team announced triboelectric nanogenerators that produce small amounts of electricity from motion in the world around us - by capturing the electrical charge produced when two different kinds of plastic materials rub against one another. Based on flexible polymer materials, the triboelectric generators provide alternating current (AC) from activities such as walking.

Variations in generator structures allow a variety of applications depending on the source of mechanical energy. Wang's team has reported four major groups of generators including those that operate by (1) vertical contact-separation mode, (2) modalità di scorrimento laterale, (3) modalità a singolo elettrone, e (4) modalità a strato triboelettrico indipendente. Esistono anche combinazioni ibride di queste principali modalità strutturali.