Трибовольтаика: от теории к практике. Когда ждать энергию будущего?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Наука и космос

Мир вокруг нас полон энергии, которую мы пока не научились использовать в полной мере. Солнце, ветер, морские волны — все это знакомые нам источники возобновляемой энергии. Но что если бы мы могли получать электричество из… трения?

Трибовольтаника, вольная интерпретация
Трибовольтаника, вольная интерпретация
Автор: Designer

Именно этой задачей занимается трибовольтаика — молодая и перспективная область науки, изучающая преобразование механической энергии трения в электричество. Не путайте с трибоэлектричеством, где электричество возникает из-за статического электричества! Трибовольтаика же использует другой принцип — образование электронно-дырочных пар в полупроводниках.

Атомные «рукопожатия» и рождение энергии

Представьте себе два полупроводника, один с избытком электронов (n-тип), другой с недостатком (p-тип). Когда их поверхности скользят друг относительно друга, атомы на границе сближаются и образуют временные связи, словно обмениваясь «рукопожатиями». В этот момент высвобождается энергия, которую ученые назвали «биндингтоном».

(a) Трехмерный схематический чертеж трибовольтаики p - n полупроводникового интерфейсного устройства. (b) Схематический рисунок трибовольтаического цикла с синусоидальным приводом в p - n структуре, вызванного относительным движением p слоя по отношению к n слоя. Частота скольжения f связана с периодом скольжения T 0 и ω 0 как f = 1 / T 0 = ω 0 / ( 2 π ) . Поскольку p слой перемещается относительно n слоя, на границе раздела полупроводников генерируются электронно-дырочные пары. Скорость генерации зависит от относительной скорости движения двух слоев. После образования электронно-дырочной пары электрон (дырка) движется к электроду на n стороне ( p сторона). Трибовольтаический ток может быть собран во внешней цепи.
(a) Трехмерный схематический чертеж трибовольтаики p — n полупроводникового интерфейсного устройства. (b) Схематический рисунок трибовольтаического цикла с синусоидальным приводом в p — n структуре, вызванного относительным движением p слоя по отношению к n слоя. Частота скольжения f связана с периодом скольжения T 0 и ω 0 как f = 1 / T 0 = ω 0 / ( 2 π ). Поскольку p слой перемещается относительно n слоя, на границе раздела полупроводников генерируются электронно-дырочные пары. Скорость генерации зависит от относительной скорости движения двух слоев. После образования электронно-дырочной пары электрон (дырка) движется к электроду на n стороне ( p сторона). Трибовольтаический ток может быть собран во внешней цепи.
Автор: Morten Willatzen, Zhiwei Zhang, and Zhong Lin Wang PRX Energy 3, 013009 — Published 20 February 2024 DOI:https://doi.org/10.1103/PRXEnergy.3.013009 CC-BY 4.0 Источник: journals.aps.org

Если энергия биндингтона превышает ширину запрещенной зоны полупроводника, то происходит чудо: рождается электронно-дырочная пара. Электрон, словно освобожденная пружина, перескакивает в зону проводимости, оставляя за собой «дырку» — место, где его не хватает.

Генерация электронно-дырочных пар на границе раздела полупроводников за счет скольжения a p -допированного полупроводника по n -допированного полупроводника на n-полупроводнике.
Генерация электронно-дырочных пар на границе раздела полупроводников за счет скольжения a p -допированного полупроводника по n -допированного полупроводника на n-полупроводнике.
Автор: Morten Willatzen, Zhiwei Zhang, and Zhong Lin Wang PRX Energy 3, 013009 — Published 20 February 2024 DOI:https://doi.org/10.1103/PRXEnergy.3.013009 CC-BY 4.0 Источник: journals.aps.org

Направленный поток: от хаоса к порядку

Электронно-дырочные пары, возникающие в хаосе атомных «рукопожатий», не остаются без дела. Встроенное электрическое поле p-n перехода, подобно строгому регулировщику, направляет электроны и дырки в противоположные стороны, создавая постоянный электрический ток.

Чем быстрее скользят поверхности, тем больше атомных «рукопожатий» происходит в единицу времени, тем больше пар рождается, тем сильнее ток. Ученые уже создали математическую модель, описывающую эту зависимость, и подтвердили ее экспериментально.

Экспериментальные данные зависимости плотности тока короткого замыкания от скорости скольжения. Данные взяты из работы. (a) Измерительная установка. (b) Ток короткого замыкания (Isc) как функция времени. (c) Увеличение зависимости тока короткого замыкания от скорости скольжения для четырех этапов 1-4.
Экспериментальные данные зависимости плотности тока короткого замыкания от скорости скольжения. Данные взяты из работы. (a) Измерительная установка. (b) Ток короткого замыкания (Isc) как функция времени. (c) Увеличение зависимости тока короткого замыкания от скорости скольжения для четырех этапов 1-4.
Автор: Morten Willatzen, Zhiwei Zhang, and Zhong Lin Wang PRX Energy 3, 013009 — Published 20 February 2024 DOI:https://doi.org/10.1103/PRXEnergy.3.013009 CC-BY 4.0 Источник: journals.aps.org

От теории к практике: энергия будущего?

Трибовольтаика — это не просто красивая теория, это технология с огромным потенциалом. Представьте себе одежду, вырабатывающую электричество от трения при ходьбе, или автомобильные шины, подзаряжающие аккумулятор во время движения.

Ученые уже работают над созданием эффективных трибовольтаических устройств, используя различные материалы и конструкции. В будущем эта технология может стать одним из ключевых элементов зеленой энергетики, позволяя получать электричество из самых неожиданных источников — из наших движений, из вибраций окружающей среды, из самого трения, которое окружает нас повсюду.

В статье упоминается, что при высоких скоростях скольжения ток начинает «насыщаться». Почему это происходит? Неужели атомам надоедает «здороваться» друг с другом?

Конечно, атомам не свойственно «уставать». Причина насыщения тока кроется в двух факторах: во-первых, при высокой концентрации электронно-дырочных пар возникает противодействующее электрическое поле, которое мешает движению новых пар. Во-вторых, с ростом концентрации носителей заряда увеличивается вероятность их рекомбинации, то есть «слияния» электрона и дырки, что уменьшает общий ток.

Может ли трибовольтаика заменить традиционные источники энергии, такие как солнечные батареи или ветрогенераторы?

Вряд ли. Трибовольтаика вряд ли сможет конкурировать с традиционными источниками возобновляемой энергии по мощности. Однако, она может стать ценным дополнением, позволяя получать энергию из трения, которое неизбежно присутствует во многих процессах и устройствах.

Какое будущее у трибовольтаики?

Трибовольтаика — это молодая и быстро развивающаяся область. Ученые исследуют новые материалы, конструкции и способы оптимизации устройств. В будущем мы можем увидеть трибовольтаические элементы в самых разных областях — от носимой электроники до промышленных датчиков и систем сбора энергии.

2 комментария

A
>традиционные источники энергии, такие как солнечные батареи или ветрогенераторы
Спасибо, посмеялся.
C
А что такое «насыщение тока»? Наелся и отдыхает?

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

✦ ИИ  Бизнес франшизы России изнутри: как платформа для аутсорсинга персонала считает выплаты и упирается в лимиты ФНС

Технический разбор бизнеса франшизы России в аутсорсинге персонала: алгоритм выплат самозанятым, лимиты API ФНС и расчёт очереди на 150 исполнителей.

✦ ИИ  Как починить LED-лампу почти с любым цоколем: простой DIY-ремонт своими руками

Перегоревшая светодиодная лампа не всегда заслуживает отправки в мусор. В распространённых конструкциях причиной отказа действительно может оказаться один неисправный светодиод, разрывающий...

«Весна‐202»: вертикальная кассета, бесколлекторный мотор и шум

Так и хочется сказать, что это ничем не примечательный очередной советский кассетник. Однако, простой факт: количество выпущенных экземпляров превысило 2 млн штук. Это огромная цифра даже для такой...

Чар сиу: как кантонская свинина получает блестящую корочку и характерный сладко-пряный вкус

Чар сиу легко узнать ещё до того, как кусок окажется на тарелке. За стеклом кантонской лавки висят длинные полосы свинины цвета тёмного красного дерева: края почти подгорели, поверхность блестит, а...

✦ ИИ  Что делать, если кошка сильно мяукает в общественном транспорте: советы для спокойной поездки

Поездка в автобусе, метро, электричке или другом общественном транспорте может стать серьезным испытанием для кошки. Незнакомые звуки, запахи, движение, большое количество людей и отсутствие...

Как обувь меняет структуру стопы: сравнение современных людей и охотников-собирателей

Когда антропологи находят окаменевшие кости древних предков человека, главная задача исследователей — понять, как эти существа двигались при жизни. Умели ли они ходить прямо,...