Thiết bị khai thác năng lượng từ các rung động tần số thấp

Thiết bị này có kích thước bằng đồng hồ đeo tay, tạo ra đủ năng lượng cho hoạt động của một hệ thống theo dõi sức khỏe cá nhân.

Susan Trolier-McKinstry, Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu và Steward S. Flaschen, Giáo sư kỹ thuật điện cho biết: "Các thiết bị do chúng tôi chế tạo bằng cách sử dụng vật liệu tối ưu, hoạt động ở mọi nơi với hiệu quả cao hơn từ 5 - 50 lần so với bất cứ thiết bị nào trước đây".

Các thiết bị khai thác năng lượng hiệu quả cao này có khả năng cung cấp điện cho hàng triệu thiết bị cấu thành hệ thống Internet kết nối vạn vật. Thông qua cung cấp năng lượng liên tục cho pin sạc hoặc siêu tụ điện, thiết bị khai thác năng lượng có thể giảm chi phí cho nhân công làm công việc thay pin khi pin hỏng và tránh tình trạng vứt pin thải ra bãi chôn lấp.

Một số tinh thể có thể sản sinh dòng điện khi được nén hoặc thay đổi hình dạng khi có sự xuất hiện của điện tích. Hiệu ứng áp điện này được sử dụng trong các thiết bị siêu âm, cũng như khai thác năng lượng. Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã sử dụng PZT, vật liệu áp điện nổi tiếng để phủ lên cả hai mặt của một lá kim loại dẻo có độ dày gấp bốn hoặc năm lần so với trong các thiết bị cũ. Khối lượng lớn vật liệu hoạt tính tương ứng với việc sản sinh nhiều năng lượng hơn.

Bằng cách định hướng cấu trúc tinh thể của màng để tối ưu hóa khả năng phân cực, hiệu quả khai thác năng lượng gia tăng. Áp lực nén sinh ra trong màng khi màng được gắn trên lá kim loại dẻo, cũng có nghĩa là màng PZT có thể chịu được biến dạng lớn mà không bị nứt, nên thiết bị sẽ mạnh hơn.

Trolier-McKinstry cho biết: "Một số thách thức đặt ra trong lĩnh vực khoa học vật liệu. Đầu tiên là làm thế nào để tăng độ dày của màng trên một lá kim loại dẻo. Sau đó, chúng ta cần định hướng tinh thể phù hợp để đạt được hiệu ứng áp điện mạnh nhất".

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một thiết bị mới giống đồng hồ đeo tay kết hợp vật liệu lá kim loại/PZT. Thiết bị này sử dụng rotor đồng trục lệch tâm, xoay tự do có gắn một nam châm và nhiều chùm tia PZT với mỗi chùm tia được gắn một nam châm.

Khi nam châm trên rotor tiếp cận một trong các chùm tia, các nam châm đẩy nhau và làm chệch hướng chùm tia, tách chùm tia trong một quá trình được gọi là tăng tốc chuyển đổi tần số. Tần số chậm của cổ tay xoay được chuyển đổi thành dao động tần số cao hơn. Theo Trolier-McKinstry, thiết kế của thiết bị này hiệu quả hơn thiết bị khai thác điện từ thông thường giống như những thiết bị được sử dụng cho đồng hồ tự cấp điện.

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu tin rằng có thể tăng gấp đôi sản lượng điện bằng cách sử dụng quá trình thiêu kết lạnh, công nghệ tổng hợp ở nhiệt độ thấp đã được phát triển tại trường Đại học Penn. Ngoài ra, các nhà khoa học đang nghiên cứu bổ sung một thành phần từ tính vào máy gặt cơ học hiện nay để xử lý năng lượng trong phần lớn thời gian trong ngày khi không có hoạt động thể chất.

N.T.T-NASATI (Theo Phys)