Создано устройство по преобразованию механической энергии вибраций в электричество

Вибрация как источник электричества

В науке часто бывает так, что исследователи делают работы с одной целью, а в результате совершают "незапланированное" открытие. Так, недавно группа немецких специалистов решила улучшить амортизирующие свойства эластомеров. Однако в результате было создано устройство, способное преобразовывать механическую энергию вибраций в электричество…

Фото:

Эластомерами называются полимерные волокна, обладающие в диапазоне своей эксплуатации очень высокой эластичностью. Они способны растягиваться до размеров, во много раз превышающих их начальную длину, а после возвращаться к исходным параметрам. Чаще всего в качестве эластомеров используют такие вещества, как полиизопрен, полибутадиен, полиизобутилен и полиуретаны. Применяют эластомеры во многих устройствах — например, из них делают "искусственные" мускулы для микроманипуляторов роботов, а также протезов конечностей. Также они весьма хороши в качестве амортизаторов, гасящих вибрации.

Правда, здесь существует одно "но" — смягчая вибрацию, эластомеры растягиваются и поглощают часть ее энергии, но при этом они нагреваются. А это приводит к преждевременному "старению", да и полного гашения вибрации из-за этой их особенности добиться не получается. Словом, если бы удалось устранить этот недостаток, то тогда бы они стали просто идеальными амортизаторами.

И вот немецкие ученые из Института структурной прочности и надежности систем общества Фраунгофера (Дармштадт, Германия) решили вплотную заняться этой проблемой. Они обратили внимание на так называемые электроактивные эластомеры, которые увеличиваются в объеме при приложении к ним электрического тока. Кстати, именно эту разновидность и используют в качестве "искусственных мускулов".

Исследователи создали некое устройство, состоящее из множества слоев таких полимеров. К ним были подсоединены металлические электроды, по которым подавался электрический ток, управляющий сокращением и расширением полимера. В ходе экспериментов было выяснено, что при приложении тока с частотой, которая совпадала с частотой вибрации, прилагавшейся к устройству, полимер увеличивался в размерах в такт вибрациям и практически полностью гасил их.

Итак, вроде бы ученым удалось добиться желаемого — вибрация гасилась полностью, и особого нагрева при этом не наблюдалось. Однако в ходе тех же самых экспериментов выяснилась еще одна интересная вещь. Исследователи заметили, что когда ток не подавался на электроды, а вибрация все равно воздействовала на эластомер, то происходила обратная ситуация. Сокращение эластомерных слоев под действием вибрации приводило к появлению электрического тока в электродах, причем мощность последнего прямо пропорциональна частоте и силе вызвавшей его вибрации. То есть устройство смогло преобразовать механическую энергию в электричество, причем опять-таки практически не нагреваясь!

Но что самое интересное — так это то, что даже в данном случае эластомеры все равно не потеряли амортизирующих свойств. Ученые выяснили, что в экспериментах вибрации гасились куда сильнее, чем это делают обычные эластомеры, которые применяются, например, в опорах автомобильных двигателей. Дело в том, что новое устройство поглощает всю энергию вибраций, и преобразует ее большую часть в электричество.

И хотя количество вырабатываемой эластомерами электроэнергии не особенно велико, тем не менее, авторы работы уверены, что его хватит, например, для питания удаленных сенсоров, которые находятся в местах, где исключено подключение к электросети. Это могут быть датчики вибрации в опорах мостов и иных ответственных конструкций.

Кроме того, данное устройство можно применять в тех же опорах двигателя и амортизаторах автомобилей, а также использоватье их в автономных источниках электропитания для систем удаленного мониторинга. Получается, что теперь аккумуляторы автомобилей смогут подзаряжаться еще и от амортизаторов, гасящих вибрации. Это будет весьма ценным "ноу-хау" для электромобилей, чьи батареи весьма и весьма зависимы от дополнительных источников подзарядки.

Ученые также рассказали, что самой сложной деталью данного устройства оказались именно электроды. Ведь они были сделаны из металла и при вибрации могли просто повредить полимерные слои, продавив их. Эту проблему удалось решить весьма остроумно — исследователи использовали электроды в виде металлических пластин с большой площадью сечения. Они равномерно распределяли нагрузки по поверхности эластомеров, что исключало возможность повреждения.

Читайте также: Батарейка из фруктов и змеемобиль

Как видите, данная работа представляет собой хороший пример того, как ученые сделали открытие практически случайно. Ведь исходная цель исследования была совсем другой. Тем не менее, данное случайное открытие тоже оказалось весьма полезным…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"