Hvit kule: Den hvite kula er en dråpe ionisk væske rullet i PTFE-pulver. Mønsteret den beveger seg over er elektroder av gull under en polymerfilm. (Bilde: Høgskolen i Vestfold)
Professor Einar Halvorsen.

DRÅPEKRAFTVERK FRA HiVe

Denne dråpen er et kraftverk

 

  • Kraft

 

 

Den lille generatoren skiller seg fra det meste av energihøstere i denne skalaen, fordi den bruker en dråpe som loddmasse, istedenfor en fast masse opphengt i en fjær.

Store utfordringer

– Det typiske designet med fjæroppheng gir en egenfrekvens som er for høy. Da blir det vanskelig å få egenfrekvensen langt nok ned til å hente energi fra langsomme, store bevegelser. Slike høstere baserer seg på ganske hurtige vibrasjoner.

Det forklarer professor Einar Halvorsen ved Institutt for mikro- og nanoteknologi ved Høgskolen i Vestfold (HiVe).

– Vi jobber også med utviklingen av fjær-basert­­e høstere, men da er målet å få til båndbredde­ så de kan håndtere et bredt spektrum frekvenser i et bestemt område, forteller han.

Tidligere har forskergruppa blant annet utviklet slike energihøstere til sensorer i bildekk, i samarbeid med Sintef og Sensonor.

Les også: Dette glasset produserer strøm

Små sensorer

Det er små innretninger, som sensorer, som kan dra nytte av dråpekraftverket.

Selv om det kan høste energi til bærbare dingser, er det ikke snakk om mobiltelefoner og datamaskiner.

– De bruker altfor mye strøm. I forskningslitteraturen kan du noen ganger se at man snakker om mobiler og pc-er i forbindelse med vibrasjonshøsting, men det er urealistisk, altså.

Generatorer i kroppen

Halvorsen sier at dråpekraftverket kan bli nyttig for sensorer som skal måle fysiologis­ke parametere i og på menneskekroppen.

– I en del sammenhenger er det ikke mulig eller ønskelig med sensorer som bruker batterier. I noen tilfeller er miljøet uegnet, for eksempel på grunn av høy temperatur.

– I andre tilfeller er det veldig uhensiktsmessig å måtte bytte batteri, for eksempel hvis man må ta fra hverandre en stor maskin eller gå inn i menneskekroppen for å få det gjort, sier Halvorsen.

Han forteller om stor forskningsaktivitet over hele verden for å få til slike generatorer som kan erstatte batterier, eller muliggjøre målinger der man ikke kan bruke batterier.

Les også: Genererer energi med kite

Spennende dråpe

Dråpen som sørger for energihøstingen i den nye prototypen fra Vestfold-forskerne, er en ledende væske.

Halvorsen og kollegaene har testet både kvikksølv og en ionisk væske. Dråpen­ beveger seg over en tynn polymerfilm som dekker flere metallelektroder av gull.

– Filmen leder ikke, men har ladninger som er fanget inne i filmen. Det gir elektriske felter, så når dråpen beveger seg over strukturen, endrer den på disse feltene. Slik skapes en spenningsvariasjon over elektrodene. Når vi kobler elektrodene til en ytre krets, kan spenningen drive en elektrisk strøm gjennom kretsen, forklarer Halvorsen.

I testene har dråpen rullet over platen med elektrodene når forskerne vippet på den.

I eventuell praktisk anvendelse vil den være innkapslet i en boks. Forskerne har brukt kvikksølv fordi det er veldig tungt og leder godt, men det er også giftig.

– Derfor er det egentlig ikke en akseptabel løsning. Vi jobber med andre alternativer, spesielt­ med ioniske væsker, som egentlig er salter­ som er flytende ved romtemperatur. Her har vi hatt noen spesielle utfordringer fordi væsken kleber seg til filmen, forteller Halvorsen.

Derfor rullet forskerne dråpen i et pulver av en bestemt type ørsmå partikler som heftet seg til overflaten, og gjorde dråpen mer som en klinkekule som ikke klebet seg til underlaget lenger.

Les også: Slik kan Norge forsyne Europa med energi

Koble sammen

Effekten fra dråpekraftverket er bare på noen få nanowatt, men det er mulig å koble sammen flere for å skalere opp.

I en del sammenhenger er det heller ikke behov for å gjøre målinger så ofte, og med systemer for å samle opp energi over tid, kan sensorer med slike generatorer gjøre målinger når de har nok kraft.

– Det er bare gjort et par tidligere arbeider på det å bruke dråper som loddmasse, og effekten vi måler tilsvarer 17 ganger mer enn det man har fått til så langt, forteller Halvorsen.

Mikrowatt

Prototypen demonstrerte en maks output på 0,18 mikrowatt, med en dråpe på 1,2 millimeter i diameter som skled over en film som var 2 mikrometer tykk.

Forskningen er publisert i tidsskriftet Applied Physics Letters.

Energihøstere i mikroskala er fremdeles i stor grad på tegnebrettet i forskningsmiljøene.

Det finnes firma som lager slike systemer med store komponenter – de måler for eksempel temperaturen i ulike industrielle anlegg.

Les også: Slik kan elbilen bli trådløs

Rødt lys kan doble effekten i solceller

Vindkraft uten vinger