Jan 24, 2024

Warum Sie keine „Phantomenergie“ auf einem Raumschiff wollen

Messen und Entfernen unerwarteter „Phantom“-Elektrizitätswerte aus der Energie

Das Messen und Entfernen unerwarteter „Phantom“-Strommengen aus Energiegewinnungsgeräten war bisher eine Herausforderung

Von Ronald T. Leon, Dr. Peter C. Sherrell, Professor Amanda V. Ellis, University of Melbourne

Sie haben vielleicht noch nie von piezoelektrischen Materialien gehört, aber die Chancen stehen gut, dass Sie davon profitiert haben.

Piezoelektrische Materialien sind feste Materialien – wie Kristalle, Knochen oder Proteine ​​– die einen elektrischen Strom erzeugen, wenn sie mechanischer Belastung ausgesetzt werden.

Materialien, die Energie aus ihrer Umgebung gewinnen (durch Licht, Wärme und Bewegung), finden Eingang in Solarzellen, tragbare und implantierbare Elektronik und sogar in Raumfahrzeuge. Sie ermöglichen es uns, Geräte länger, vielleicht sogar für immer, aufzuladen, ohne sie an eine Stromversorgung anschließen zu müssen.

Damit diese Energiegewinnungsanlagen jedoch effektiv funktionieren, müssen wir genau wissen, wie viel Energie sie produzieren können.

Nun hat unser Team zum ersten Mal mithilfe einer einfachen Signalverarbeitungstechnik gezeigt, dass elektrische Signale, die zum Vergleich piezoelektrischer Materialien verwendet werden, elektrostatische (oder Phantom-)Energie enthalten.

Unsere in der Fachzeitschrift Nano Energy veröffentlichte Studie ergab, dass mehr Strom erzeugt wird als erwartet – insbesondere wenn wir Energie aus Bewegung gewinnen.

Diese zusätzliche oder „Phantomenergie“ muss bei der Entwicklung der nächsten Generation fortschrittlicher Elektronik berücksichtigt werden, und bis vor Kurzem gab es keine Möglichkeit zu sagen, wie viel Phantomenergie (wenn überhaupt) in bewegungsbasierten Energieernten vorhanden ist .

Unser Forschungsteam hat einen einfachen Weg gefunden, um festzustellen, ob diese Phantomenergie vorhanden ist – indem es einfach das elektrische Signal betrachtet, das von einem Material erzeugt wird, das Bewegung ausgesetzt ist.

Piezoelektrische Materialien werden seit mehreren Jahrzehnten zur Energiegewinnung und -messung eingesetzt.

Ihre Anwendung reicht von sehr einfachen, kontaktbasierten Energieernten bis hin zu komplexen Netzwerken industrieller Vibrationssensoren, Herzschrittmachern, Geräten zur Überwachung des strukturellen Zustands und Mikrotriebwerken in Weltraumsatelliten.

Herkömmliche, bewegungsbasierte Energieerntemaschinen nutzen ein oder mehrere Energieumwandlungsprinzipien, wie elektromagnetische Induktion (z. B. Windkraftanlagen), elektrostatische Induktion (z. B. Van-der-Graaff-Generatoren) und Piezoelektrizität.

Jüngste Fortschritte in der Materialwissenschaft haben das Design und die Entwicklung funktionaler Materialien beschleunigt, die auf dem Phänomen der Piezoelektrizität beruhen.

Piezoelektrizität wandelt mechanische Energie durch Verformung in elektrische Energie (Spannung) um. Beispielsweise können recht flexible Polymere vorübergehende physikalische Veränderungen wie Biegen oder Verdrehen erfahren, bevor sie wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehren.

Dies wiederum führt dazu, dass sich die inneren Polymerketten bewegen, was bei bestimmten Polymeren zu einer Stromerzeugung führt.

Die Fähigkeit dieser Materialien, mit minimalem Aufwand kontinuierlich eine elektrische Leistung zu erzeugen, hat Forscher und Hersteller aus vielen Bereichen interessiert.

Heutzutage werden piezoelektrische Materialien (insbesondere Polymere) häufig als tragbare Geräte (wie intelligente Schuhe, Uhren oder Handschuhe) verwendet, um Bewegung in elektrische Energie umzuwandeln, die gespeichert und genutzt werden kann.

Allerdings kann die Reibung, die durch die Erzeugung einer elektrischen Leistung durch das piezoelektrische Material entsteht, dazu führen, dass sich elektrostatische Ladungen auf der Oberfläche des Materials ansammeln.

Statische Elektrizität ist etwas, was viele von uns erlebt haben – sie bekamen Stromschläge, nachdem sie in Socken auf einem Teppich gelaufen waren oder während eines Gewitters Blitze beobachtet hatten.

Dies wird als „triboelektrischer“ Effekt bezeichnet, der auftreten kann, wenn zwei beliebige Materialien einander berühren. Bei praktischen Anwendungen wie der Gewinnung von Energie aus Bewegung ist das Verständnis dieser durch Reibung verursachten zusätzlichen Effekte von entscheidender Bedeutung, um zu vermeiden, dass die komplexen elektronischen Geräte einem unerwarteten Anstieg der Energieausbeute ausgesetzt werden.

Leider ist es äußerst schwierig, zwischen intrinsischen piezoelektrischen Signalen und durch Triboelektrizität behinderten Signalen zu unterscheiden. Dies ist vor allem auf die Ähnlichkeiten zwischen Piezoelektrizität und den rätselhaften triboelektrischen Signalen zurückzuführen.

Deshalb schirmten wir Energiegewinnungsgeräte ab und wickelten die Geräte mit leitfähigem Kleber wie Kohlenstoffband ein, um festzustellen, ob die Messungen mit piezoelektrischen Materialien korrekt waren.

Wir fanden heraus, dass Signale von abgeschirmten Energieerntegeräten (ohne triboelektrische Interferenz) im Vergleich zu den Signalen von ungeschirmten Energieernten einen einzigartigen Frequenzgang hatten.

Wir haben herausgefunden, dass durch die einfache Umwandlung des elektrischen Ausgangssignals eines Energie-Harvesters in den Frequenzbereich mithilfe einer gängigen Signalverarbeitungstechnik, der sogenannten schnellen Fourier-Transformation, sofort ersichtlich wird, dass in den Messungen Phantomenergie vorhanden ist.

Diese Technik kann von sehr einfacher mathematischer Software wie MATLAB verwendet werden.

Bei der schnellen Fourier-Transformation wird ein analoges Signal, beispielsweise eine Spannung über der Zeit, in den Frequenzbereich umgewandelt – um zu sehen, wie viele und wie häufig es Wiederholungen innerhalb desselben Signals gibt.

Die bewegungsbasierte Energiegewinnung ist ein relativ einfacher Prozess, daher erwarten Sie ein einfaches Frequenzspektrum. Stellen Sie sich dieses Spektrum wie einen einzelnen Wolkenkratzer vor. Als das Forschungsteam jedoch absichtlich Phantomenergie hinzufügte, sah dieses Frequenzspektrum nun aus wie eine ganze Stadtsilhouette.

Diese sogenannten harmonisch induzierten Verzerrungen können als Phantomenergieinterferenzen bezeichnet werden, die in den meisten Fällen das Quellsignal verstärken.

Wenn Ingenieure wissen, wie man nach Phantomenergie sucht, können sie sicher sein, dass alle Energiegewinnungsmaterialien, sei es im Weltraum oder im Körper implantiert, genau die Energiemenge produzieren, die sie benötigen – nicht mehr und nicht weniger.

Die Fourier-Transformationsmethode wird regelmäßig in der Datenanalyse verwendet, um Trends und Anomalien innerhalb von Signalen zu finden, und wir können dieses Tool verwenden, um Interferenzen in unseren piezoelektrischen Messungen zu identifizieren.

Es gibt viele kleine Stellen an den Energiegewinnungsgeräten, an denen während des Tests Reibung auftritt – und diese kleinen Stellen können einen enormen Unterschied in der Leistung bewirken.

Beispielsweise könnten sie bei Benchmark-Tests einen erwarteten Ausgang von 1 Volt (V) bis 10 V oder sogar 50 V annehmen.

Auch wenn dies wie eine gute Sache erscheint, wird all diese zusätzliche Energie nicht genutzt. Der unerwartete Leistungsanstieg ist wie das Durchbrennen einer Sicherung bei einem Blitzeinschlag und das Gerät wäre der zusätzlichen Energie nicht gewachsen.

Nichts, was Sie im Weltraum oder in Ihrem Körper wollen.

Wir haben piezoelektrische Proben auf verschiedene Arten getestet und mithilfe unserer einfachen, schnellen Fourier-Transformationstechnik gezeigt, wie Phantomenergie beim Benchmarking identifiziert werden kann.

Durch die Identifizierung und Messung der Phantomenergie können Forscher mithilfe einfacher Signalfilter etwaige Störungen isolieren und beseitigen.

Hersteller von piezoelektrischen Energieerntemaschinen können es beim Bau anwenden – so können sie sicher Geräte für die Bionik, Raumfahrzeuge oder andere Präzisionsanwendungen herstellen – und genau die Energiemenge produzieren, die sie benötigen, um die Lebensdauer eines Geräts zu verlängern. Vielleicht für immer Piezo-Leben.

Diese Arbeit wurde mit Unterstützung des Aikenhead Centre for Medical Discovery (ACMD) und des Department of Chemical Engineering, Fakultät für Ingenieurwissenschaften und IT, University of Melbourne, und Andris Šutka, Institute of Materials and Surface Engineering, Fakultät für Materialwissenschaften und abgeschlossen Angewandte Chemie, Technische Universität Riga.

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Erstveröffentlichung am 8. Mai 2023 in Engineering & Technology

Ronald T. Leon

Gemeinsamer Doktorand; Abteilung für Chemieingenieurwesen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Informationstechnologie, University of Melbourne; Abteilung für Materialien, Universität Manchester

Dr. Peter Sherrell

Honorary Senior Fellow, School of Chemical and Biomedical Engineering, Fakultät für Ingenieurwesen und Informationstechnologie, University of Melbourne

Professor Amanda Ellis

Forschungsleiter, Ellis Research Group: Leiter Chemieingenieurwesen, Fakultät für Ingenieurwesen und Informationstechnologie, University of Melbourne

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Vielleicht haben Sie noch nie von piezoelektrischen Materialien gehört, aber die Chancen stehen gut, dass Sie von ihnen profitiert haben.

Piezoelektrische Materialien sind feste Materialien – wie Kristalle, Knochen oder Proteine ​​–, die beim Öffnen einen elektrischen Strom erzeugen werden mechanisch beansprucht.

Materialien, die Energie aus ihrer Umgebung gewinnen (durch Licht, Wärme und Bewegung), finden ihren Weg in Solarzellen, tragbare und implantierbare Elektronik und sogar in Raumfahrzeuge. Sie ermöglichen es uns, Geräte länger, vielleicht sogar für immer, aufzuladen, ohne sie an eine Stromversorgung anschließen zu müssen.

Damit diese Energieernter jedoch effektiv arbeiten können, müssen wir genau wissen, wie viel Energie sie produzieren können.

Jetzt nutzt unser Team zum ersten Mal eine einfache Signalverarbeitungstechnik hat gezeigt, dass elektrische Signale, die zum Benchmarking piezoelektrischer Materialien verwendet werden, elektrostatische (oder Phantom-)Energie beinhalten.

Unsere research, veröffentlicht in der Zeitschrift Nano Energy hat herausgefunden, dass mehr Strom erzeugt wird als erwartet – insbesondere wenn wir Energie aus Bewegung gewinnen.

Diese zusätzliche oder „Phantomenergie“ muss bei der Entwicklung der nächsten Generation fortschrittlicher Elektronik berücksichtigt werden, und bis vor Kurzem gab es keine Möglichkeit zu sagen, wie viel Phantomenergie (wenn überhaupt) vorhanden war in bewegungsbasierten Energieerntemaschinen vorhanden.

Unser Forschungsteam hat einen einfachen Weg gefunden, um festzustellen, ob diese Phantomenergie vorhanden ist – allein durch Betrachtung des elektrischen Signals, das von einem Material erzeugt wird, das Bewegung ausgesetzt ist.

Messung der Phantomenergie

Piezoelektrische Materialien werden zur Energiegewinnung und -erfassung verwendet mehrere Jahrzehnte.

Ihre Anwendung reicht von sehr einfachen, kontaktbasierten Energieernten bis hin zu komplexen Netzwerken industrieller Vibrationssensoren, Herzschrittmacher , Geräte zur Überwachung des strukturellen Zustands und Mikrotriebwerke in Weltraumsatelliten.

Konventionelle, bewegungsbasierte Energiegewinnungsgeräte nutzen ein oder mehrere Energieumwandlungsprinzipien, wie zum Beispiel elektromagnetische Induktion (z. B. Windkraftanlagen), elektrostatische Induktion (z. B. Van-Der-Graaff-Generatoren) und Piezoelektrizität.

Jüngste Fortschritte in der Materialwissenschaft haben das Design und die Entwicklung funktionaler Materialien beschleunigt, die auf dem Phänomen der Piezoelektrizität beruhen.

Piezoelektrizität wandelt mechanische Energie durch Verformung in elektrische Energie (Spannung) um. Beispielsweise können recht flexible Polymere vorübergehende physikalische Veränderungen wie Biegen oder Verdrehen erfahren, bevor sie wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehren.

Dies wiederum führt dazu, dass sich die inneren Polymerketten bewegen, was bei bestimmten Polymeren zu einer Stromerzeugung führt.

Die Fähigkeit dieser Materialien, mit minimalem Aufwand kontinuierlich eine elektrische Leistung zu erzeugen, hat Forscher und Hersteller aus vielen Bereichen interessiert.

Heutzutage werden piezoelektrische Materialien (insbesondere Polymere) häufig als tragbare Geräte verwendet (wie intelligente Schuhe). , Uhren oder Handschuhe), um Bewegung in elektrische Energie umzuwandeln, die gespeichert und genutzt werden kann.

Die Reibung, die dadurch entsteht, dass das piezoelektrische Material einen elektrischen Ausgang erzeugt, kann jedoch dazu führen, dass sich elektrostatische Ladungen auf der Oberfläche des Materials ansammeln.

Statische Elektrizität ist etwas, was viele von uns erlebt haben – sie bekommen einen Stromschlag, nachdem sie in Socken auf einem Teppich gelaufen sind oder während eines Gewitters Blitze beobachtet haben.

Das nennt man „triboelektrischer'-Effekt, der auftreten kann, wenn zwei beliebige Materialien einander berühren. Bei praktischen Anwendungen wie der Gewinnung von Energie aus Bewegung ist das Verständnis dieser durch Reibung verursachten zusätzlichen Effekte von entscheidender Bedeutung, um zu vermeiden, dass die komplexen elektronischen Geräte einem unerwarteten Anstieg der Energieausbeute ausgesetzt werden.

Leider ist es äußerst schwierig, zwischen intrinsischen Effekten zu unterscheiden piezoelektrische Signale und durch Triboelektrizität behinderte Signale. Dies ist vor allem auf die Ähnlichkeiten zwischen Piezoelektrizität und den rätselhaften triboelektrischen Signalen zurückzuführen.

Also schirmten wir die Energiegewinnungsgeräte ab und wickelten die Geräte mit leitfähigem Kleber wie Kohlenstoffband ein, um festzustellen, ob die Messungen aus piezoelektrischen Materialien stammten genau.

Wir haben festgestellt, dass Signale von abgeschirmten Energieernten (ohne triboelektrische Interferenz) im Vergleich zu den Signalen von ungeschirmten Energieernten einen einzigartigen Frequenzgang hatten.

Phantomenergie finden

Wir haben das herausgefunden, indem wir einfach die elektrische Leistung eines Energie-Harvesters genommen und in Frequenzdomäne unter Verwendung einer gängigen Signalverarbeitungstechnik namens schnelle Fourier-Transformation, Es fällt sofort auf, dass bei den Messungen Phantomenergie vorhanden ist.

Diese Technik kann von sehr einfacher mathematischer Software wie MATLAB.

Die schnelle Fourier-Transformation nimmt ein analoges Signal, wie z. B. eine Spannung über der Zeit, und wandelt es in den Frequenzbereich um – um zu sehen, wie viele und wie häufig es Wiederholungen innerhalb desselben Signals gibt.

Bewegungsbasierte Energiegewinnung ist ein relativ einfacher Vorgang, daher erwarten Sie, dass Sie ein einfaches Frequenzspektrum sehen. Stellen Sie sich dieses Spektrum wie einen einzelnen Wolkenkratzer vor. Als das Forschungsteam jedoch absichtlich Phantomenergie hinzufügte, sah dieses Frequenzspektrum nun aus wie eine ganze Stadtsilhouette.

Diese sogenannten harmonisch induzierten Verzerrungen können als Phantomenergieinterferenzen identifiziert werden, die in den meisten Fällen das Quellsignal verstärken.

Indem Ingenieure wissen, wie man nach Phantomenergie sucht, können sie sicher sein, dass alle Materialien zur Energiegewinnung, sei es im Weltraum oder im Körper implantiert, genau die Energiemenge produzieren, die sie benötigen – nicht mehr , nicht weniger.

Phantomenergie entfernen

Die Fourier-Transformationsmethode wird regelmäßig in der Datenanalyse verwendet, um Trends und Anomalien innerhalb von Signalen zu finden, und wir können dieses Tool verwenden, um Interferenzen in unseren piezoelektrischen Messungen zu identifizieren.

Es gibt viele kleine Stellen an den Energiegewinnungsgeräten, an denen während des Tests Reibung auftritt – und diese kleinen Stellen können einen enormen Unterschied in der Leistung bewirken.

Zum Beispiel könnten sie bei Benchmark-Tests einen erwarteten Ausgang von 1 Volt (V) auf 10 V oder sogar 50 V bringen.

Obwohl dies wie eine gute Sache erscheinen mag, wird all diese zusätzliche Energie nicht genutzt. Der unerwartete Leistungsanstieg ist wie das Durchbrennen einer Sicherung bei einem Blitzeinschlag und das Gerät wäre der zusätzlichen Energie nicht gewachsen.

Nicht etwas, das Sie im Weltraum oder in Ihrem Körper wollen.

Wir haben piezoelektrische Proben auf verschiedene Arten getestet und dies mithilfe unserer einfachen, schnellen Fourier-Transformationstechnik gezeigt , wie Phantomenergie beim Benchmarking identifiziert werden konnte.

Durch die Identifizierung und Messung der Phantomenergie können Forscher einfache Signalfilter verwenden, um Störungen zu isolieren und zu beseitigen.

Hersteller von piezoelektrischen Energieernten können es beim Bau anwenden – so können sie sicher Geräte für die Bionik, Raumfahrzeuge oder andere Präzisionsanwendungen herstellen – und genau die Energiemenge produzieren, die sie benötigen, um die Lebensdauer eines Geräts zu verlängern. Vielleicht für immer Piezo-Leben.

Diese Arbeit wurde mit der Unterstützung von Aiken< abgeschlossen /a>Leiter des Center for Medical Discovery (ACMD) und < em>die Abteilung für Chemieingenieurwesen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften und IT, University of Melbourne, und Andris Šutka, Institut für Werkstoff- und Oberflächentechnik, Fakultät für Materialwissenschaft und Angewandte Chemie , Technische Universität Riga.

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