Περίπου το 600 π.Χ., ο Θαλής ο Μιλήσιος —ένας αρχαίος Έλληνας στοχαστής τον οποίο ορισμένοι θεωρούν τον πρώτο επιστήμονα στον κόσμο— παρατήρησε ένα περίεργο φαινόμενο όταν έτριψε κεχριμπάρι («ήλεκτρον») με γούνα: ελαφριά αντικείμενα άρχισαν να έλκονται από το υλικό.
Αυτό το φαινόμενο είναι αυτό που θα ονομάζαμε στατικό ηλεκτρισμό, αλλά στην πραγματικότητα είναι το αποτέλεσμα ενός φαινομένου γνωστού ως τριβοηλεκτρικό φαινόμενο. Λόγω του ενδιαφέροντος του Θαλή του Μιλήσιου για αυτή την αξιοπερίεργη ιδιότητα, ο τριβοηλεκτρισμός αποτελεί μία από τις παλαιότερες επιστημονικές αναζητήσεις — και κατά κάποιο τρόπο, ο Simone Meloni από το Πανεπιστήμιο της Ferrara στην Ιταλία συνεχίζει αυτή την ιστορική παράδοση.
Ως θεωρητικός χημικός και φυσικός συμπυκνωμένης ύλης, ο Δρ. Meloni έχει περάσει χρόνια ερευνώντας τις θεμελιώδεις ιδιότητες του τριβοηλεκτρισμού σε νανοκλίμακα. Ο ίδιος και οι συνεργάτες του επινόησαν έναν τρόπο παραγωγής μιας πρακτικά αξιοποιήσιμης ποσότητας ενέργειας από αυτή την περίεργη διαδικασία.
Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nano Energy, ο Meloni, μαζί με συναδέλφους του από πανεπιστήμια και ιδρύματα σε όλη την Ευρώπη, περιέγραψαν τη «Νανογεννήτρια Τριβοηλεκτρισμού Εισαγωγής–Εξαγωγής» (Intrusion–Extrusion Triboelectric Nanogenerator – TENG), η οποία χρησιμοποιεί επανειλημμένα την πίεση για να ωθήσει το νερό μέσα (εισαγωγή) και έξω (εξαγωγή) από πόρους νανοκλίμακας.
Αυτή η εργασία αποτελεί μέρος ενός χρηματοδοτούμενου από την ΕΕ έργου με την ονομασία «Electro-Fusion», το οποίο στοχεύει στη δημιουργία αναγεννητικών αμορτισέρ για ηλεκτρικά οχήματα. Τα αμορτισέρ καταναλώνουν το 5 έως 10 τοις εκατό της ενέργειας ενός οχήματος, επομένως η ανάπτυξη ενός αμορτισέρ ικανού να μετατρέπει αυτή τη συνεχή κίνηση τριβής σε ωφέλιμη ενέργεια θα μπορούσε να ενισχύσει την αποδοτικότητα των ηλεκτρικών οχημάτων.
Οι νανογεννήτριες TENG έχουν επίσης πιθανές εφαρμογές σε μια ποικιλία τεχνολογιών, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρονικών συσκευών χαμηλής κατανάλωσης και των φορητών συσκευών.
Οι νανογεννήτριες TENG λειτουργούν σύμφωνα με τη φυσική διαδικασία που κρύβεται πίσω από το τριβοηλεκτρικό φαινόμενο: όταν δύο διηλεκτρικά υλικά έρχονται σε επαφή ή τρίβονται μεταξύ τους, δημιουργούν ηλεκτρικό φορτίο. Αυτό συμβαίνει επειδή τα υλικά ανταλλάσσουν μεταξύ τους είτε ιόντα —δηλαδή ηλεκτρικά φορτισμένα άτομα ή μόρια— είτε ηλεκτρόνια.
Όταν διαχωρίζονται, τα υλικά δημιουργούν μια διαφορά δυναμικού στο ηλεκτρικό φορτίο. Όταν τοποθετούνται ηλεκτρικοί αγωγοί (ηλεκτρόδια) πίσω από αυτά και τα υλικά έρχονται ξανά σε επαφή, η διαδικασία καταλήγει στην παραγωγή εναλλασσόμενου ρεύματος, το οποίο μπορεί να τροφοδοτήσει σχεδόν τα πάντα.
Η εναλλακτική παραγωγή της ενέργειας
Ουσιαστικά, μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια σε αξιοποιήσιμη ηλεκτρική ενέργεια, εξήγησε ο Meloni
«Η ποσότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος που παράγεται εξαρτάται από το πόσο φορτίο μπορούν να ανταλλάξουν τα υλικά, το οποίο με τη σειρά του συνδέεται με τη διαθέσιμη επιφάνεια», ανέφερε ο Meloni σε μήνυμα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου.
Ανά γραμμάριο, τα πορώδη υλικά έχουν «τεράστιες εσωτερικές επιφάνειες» σε σύγκριση με τις επίπεδες επιφάνειες, είπε. «Ορισμένα έχουν εσωτερική επιφάνεια μεγαλύτερη από ένα γήπεδο ποδοσφαίρου, συμπιεσμένη σε μόλις ένα γραμμάριο σκόνης».
Στην μελέτη, ο Meloni και οι συνεργάτες του ανέφεραν απόδοση μετατροπής ενέργειας της τάξης του 9%. Το υλικό περιέχει μια ηλεκτρικά αγώγιμη δομή από πορώδες πυρίτιο, καλυμμένο με ένα εξαιρετικά λεπτό στρώμα διοξειδίου του πυριτίου (silica), το οποίο έχει τροποποιηθεί ώστε να είναι υδρόφοβο (απωθητικό στο νερό).
Αυτή η τροποποίηση διασφαλίζει ότι το νερό τελικά αποβάλλεται από τους πόρους — εξασφαλίζοντας το στάδιο της «εξώθησης» στην όλη διαδικασία. Το αγώγιμο πυρίτιο λειτουργεί ως ηλεκτρόδιο, το οποίο βρίσκεται σε απόσταση μόλις 1 έως 2 νανομέτρων από την ίδια την τριβοηλεκτρική δραστηριότητα.
Ωστόσο, σύμφωνα με τον Meloni, είναι οι ατέλειες στο στρώμα επικάλυψης (grafting layer) που στην πραγματικότητα οδηγούν στον τριβοηλεκτρισμό.
«Μόρια της επικάλυψης που αποσπώνται από την επιφάνεια του διοξειδίου του πυριτίου κατά την εισαγωγή και επανασυνδέονται κατά την εξώθηση — αυτές οι ατέλειες καθιστούν εφικτό τον τριβοηλεκτρισμό», δήλωσε. «Αλλά εισάγουν επίσης μια λεπτή ισορροπία: περισσότερες ατέλειες αυξάνουν τη φόρτιση της επιφάνειας, όμως γίνουν υπερβολικές καταστρέφουν την υδροφοβικότητα».
Παρότι η κατανόησή μας για τον ηλεκτρισμό έχει εξελιχθεί τρομερά τους τελευταίους δύο αιώνες, ο Meloni ανέφερε ότι ακόμη και αυτή η τρέχουσα έρευνα κρύβει κάποιο μυστήριο. «Παρά τους αιώνες ερευνών, η θεμελιώδης μικροσκοπική αιτία του τριβοηλεκτρισμού δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητή», είπε.
«Οι επιστήμονες συνεχίζουν να διαφωνούν για το τι συμβαίνει πραγματικά όταν δύο επιφάνειες έρχονται σε επαφή, ολισθαίνουν και διαχωρίζονται, και αν μεταφέρονται μεταξύ τους ηλεκτρόνια ή/και ιόντα, ή κάτι άλλο».
Ο Meloni περιέγραψε το σύστημα της ομάδας του ως μερικώς βελτιστοποιημένο και δήλωσε ότι δοκιμάζουν διαφορετικά υλικά και για τα τρία συστατικά της διαδικασίας τους. Παρόλο που οι νανογεννήτριες TENG παραμένουν σε πρώιμο στάδιο ανάπτυξης, τα πρωτότυπα για αναγεννητικά αμορτισέρ βρίσκονται ήδη υπό κατασκευή.
Με άλλα λόγια, ένα μέλλον που τροφοδοτείται από την απλή τριβή είναι ήδη καθ’ οδόν — και το ταξίδι των 2.600 ετών για τη διερεύνηση της δύναμης του ηλεκτρισμού συνεχίζεται.
