Nieuw materiaal haalt energie uit waterdamp (video)

"Een batterij die een sensor voedt, moet periodiek worden vervangen. Met dit materiaal kun je energie oogsten uit de omgeving", zegt Mingming Ma, een medewerker van MIT’s David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research. Hij is de auteur van een artikel over het nieuwe materiaal in de editie van 11 januari van het tijdschrift Science. .

"We verwachten dat we het rendement bij de conversie van mechanische naar elektrische energie kunnen verbeteren. Dat zou leiden tot een groot aantal toepassingsmogelijkheden", stelt professor Robert Langer van het David H. Koch Institute. Hij denkt dan aan toepassingen als grootschalige vermogensgeneratoren die worden gevoed met waterdamp of aan kleinere generatoren voor ‘wearable’ elektronica.

Energie oogsten

de nieuwe film is eigenlijk een in elkaar grijpende samenstelling van twee verschillende polymeren. De ene, polypyrrool, vormt een harde maar flexibele matrix die de structuur voor de film vormt. Het andere polymeer is polyolboraat, een zachte gel die opzwelt als hij water absorbeert.
Eerder pogingen om films te maken die reageren op water werkten alleen met polypyrrool, dat op zichzelf een veel lagere responsie geeft. "Door het samenvoegen van de twee polymeren krijg je een groter maar verplaatsing, die tevens krachtiger is", zegt mede-onderzoeker Liang Guo.

Als de 20 micrometer dikke film op een oppervlak ligt dat zelfs maar een kleine hoeveelheid vocht bevat, zuigt de onderlaag het water op waardoor de film wegkrult van het oppervlak. Als daardoor de onderkant van de film wordt blootgesteld aan de lucht wordt het vocht snel losgelaten en krult hij met een salto weer terug. Dat proces blijft zich herhalen. Dergelijke films zouden kunnen werken als actuator (een soort motor) of als generator. Als actuator kan het materiaal verrassend krachtig zijn. De onderzoekers demonstreerden dat een film van 25 milligram een 380 maal zwaardere stapel glasplaatjes kan optillen. Een lading zilverdraden van 250 gram kon worden getransporteerd, waarbij de film werkte als een watergevoede ‘mini-tractor’.

Met alleen water als energiebron kan deze film elektrisch gevoede actuatoren vervangen die nu worden gebruikt in kleine robots. Een belangrijk voordeel is dat er geen manipulatie van de omgevingscondities nodig is, zoals dar wel het geval is bij actuatoren die werken op temperatuurveranderingen of zuurgraad.

Elektriciteit genereren

De mechanische energie die wordt opgewekt door het materiaal kan ook worden omgezet in elektriciteit, door de film te koppelen aan een piëzo-elektrisch materiaal, dat mechanische kracht omzet in elektrische lading. Zo’n systeem kan een vermogen van gemiddeld 5,6 nanowatt genereren en dat kan worden opgeslagen in condensatoren om ultralaagvermogen micro-elektronicacomponenten te voeden, zoals temperatuur- en vochtsensoren.

Als op grotere schaal energie moet worden opgewekt zou de film bijvoorbeeld kunnen worden gepositioneerd boven een rivier of een meer. Of hij zou kunnen worden opgenomen in kleding, waar de verdamping van zweet fysiologische bewakingssensoren zoals een hartslagsensor zou kunnen voeden.

Op kleinere schaal kan de film micro-elektromechanische systemen (Mems) zoals milieusensoren voeden, of zelfs kleinere nano-elektronicacomponenten. De onderzoekers werken nu aan de verbetering van het rendement van de conversie, zodat met kleinere films grotere componenten kunnen worden gevoed.