Kohlenstoffnanoröhrengarn gewinnt mechanische Energie ...

Forscher der University of Texas in Dallas sagen, dass sie neuartige Kohlenstoffnanoröhrengarne hergestellt haben, die mechanische Bewegung effektiver in Elektrizität umwandeln als andere materialbasierte Energiegewinnungsgeräte. Die neuen Garne aus gesponnenen Kohlenstoffnanoröhren (CNT) – „Twistrons“ genannt – sind ähnlich wie herkömmliche Woll- oder Baumwollgarne aufgebaut und erzeugen Strom, wenn sie gedehnt oder gedreht werden.

In Textilien eingenäht, können Twistrons menschliche Bewegungen erfassen und erfassen. Beim Einsatz in Salzwasser können Twistrons Energie aus der Bewegung von Meereswellen gewinnen. Und, sagen die Forscher, Twistrons können sogar Superkondensatoren aufladen.

„Unsere Materialien bewirken etwas sehr Ungewöhnliches“, sagt Dr. Ray Baughman, Direktor des Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute an der UT Dallas und korrespondierender Autor einer Studie zu dieser Forschung. „Wenn man sie dehnt, werden sie nicht weniger dicht, sondern dichter. Diese Verdichtung drückt die Kohlenstoffnanoröhren enger zusammen und trägt zu ihrer Fähigkeit zur Energiegewinnung bei.“

Twistrons bestehen aus CNTs, hohlen Zylindern aus Kohlenstoff, deren Durchmesser 10.000 Mal kleiner ist als ein menschliches Haar. Zur Herstellung von Twistrons werden die Nanoröhren zu hochfesten, leichten Fasern oder Garnen verdrillt, in die auch Elektrolyte eingearbeitet werden können.

Frühere Versionen von Twistrons waren hochelastisch, was die Forscher erreichten, indem sie so viel Drehung einführten, dass sich die Garne wie ein überdrehtes Gummiband aufwickelten. Elektrizität wird durch die aufgewickelten Garne erzeugt, indem sie wiederholt gedehnt und gelöst oder verdreht und entdreht werden.

Bei der neuen Twistron-Version, sagen die Forscher, hätten sie die Fasern nicht bis zum Aufrollen verdreht. Stattdessen verflochten sie drei einzelne Stränge aus gesponnenen Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Fasern zu einem einzigen Garn – ähnlich wie herkömmliche Garne für Textilien aufgebaut sind, jedoch mit einer anderen Drehung.

„Gezwirnte Garne, die in Textilien verwendet werden, bestehen typischerweise aus einzelnen Strängen, die in eine Richtung gedreht und dann in die entgegengesetzte Richtung zusammengezwirnt werden, um das endgültige Garn herzustellen“, sagt Baughman. „Diese heterochirale Konstruktion sorgt für Stabilität gegen Aufdrehen. Im Gegensatz dazu weisen unsere leistungsstärksten Twistrons mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen die gleiche Händigkeit von Drehung und Zwirnung auf – sie sind eher homochiral als heterochiral.“

In Experimenten zeigten die gezwirnten CNT-Garne einen Energieumwandlungswirkungsgrad von 17,4 % bei der Zugenergiegewinnung (Strecken) und 22,4 % bei der Torsionsenergiegewinnung (Drehen). Frühere Versionen der gewickelten Twistrons der Forscher erreichten einen maximalen Energieumwandlungswirkungsgrad von 7,6 % sowohl bei der Zug- als auch bei der Torsionsenergiegewinnung.

„Diese Twistrons haben über einen weiten Frequenzbereich – zwischen 2 Hertz und 120 Hertz – eine höhere Leistungsabgabe pro Harvestergewicht als bisher für alle materialbasierten mechanischen Energie-Harvester ohne Twistron“, sagt Baughman.

Die verbesserte Leistung der gezwirnten Twistrons resultiert laut den Forschern aus der seitlichen Kompression des Garns beim Strecken oder Zwirnen. Durch diesen Vorgang kommen die Lagen in einer Weise miteinander in Kontakt, die sich auf die elektrischen Eigenschaften des Garns auswirkt.

Die Forscher fanden heraus, dass der Aufbau des Garns aus drei Lagen die optimale Leistung erbrachte. Mehrere Proof-of-Concept-Experimente wurden mit dreilagigen Twistrons durchgeführt: In einer Demonstration simulierten die Forscher die Erzeugung von Elektrizität aus Meereswellen, indem sie einen dreilagigen Twistron zwischen einem Ballon und dem Boden eines mit Salzwasser gefüllten Aquariums befestigten.

Außerdem ordneten sie mehrere verdrillte Twistrons in einer nur 3,2 Milligramm schweren Anordnung an und dehnten sie wiederholt, um einen Superkondensator aufzuladen, der dann genug Energie hatte, um fünf kleine Leuchtdioden, eine Digitaluhr und einen digitalen Feuchtigkeits-/Temperatursensor mit Strom zu versorgen.

Die Forscher nähten die CNT-Garne auch in einen Baumwollstoffflicken ein, der dann um den Ellenbogen einer Person gewickelt wurde. Elektrische Signale wurden erzeugt, als die Person wiederholt ihren Ellbogen beugte, was die mögliche Verwendung der Fasern zur Erfassung und Erfassung menschlicher Bewegungen demonstrierte.

Die Forscher sagen, sie hätten ein Patent auf Basis der Technologie angemeldet. Weitere Informationen finden Sie unter „Mechanische Energieernter mit einem Zugwirkungsgrad von 17,4 % und einem Torsionswirkungsgrad von 22,4 % basierend auf homochiral gezwirnten Kohlenstoffnanoröhrengarnen.“