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Jan 24, 2024
¿Por qué no quieres 'energía fantasma' en una nave espacial?
Medición y eliminación de niveles 'fantasmas' inesperados de electricidad de la energía
Medir y eliminar niveles 'fantasmas' inesperados de electricidad de los dispositivos de recolección de energía ha sido un desafío, hasta ahora
Por Ronald T. Leon, Dr. Peter C. Sherrell, Profesora Amanda V. Ellis, Universidad de Melbourne
Es posible que no haya oído hablar de los materiales piezoeléctricos, pero lo más probable es que se haya beneficiado de ellos.
Los materiales piezoeléctricos son materiales sólidos, como cristales, huesos o proteínas, que producen una corriente eléctrica cuando se someten a tensión mecánica.
Los materiales que recolectan energía de su entorno (a través de la luz, el calor y el movimiento) están llegando a las células solares, a la electrónica portátil e implantable e incluso a las naves espaciales. Nos permiten mantener los dispositivos cargados durante más tiempo, incluso para siempre, sin necesidad de conectarlos a una fuente de alimentación.
Pero para que estos recolectores de energía funcionen de manera efectiva, debemos saber exactamente cuánta energía pueden producir.
Ahora, por primera vez, utilizando una técnica simple de procesamiento de señales, nuestro equipo ha demostrado que las señales eléctricas utilizadas para comparar materiales piezoeléctricos incluyen energía electrostática (o fantasma).
Nuestra investigación, publicada en la revista Nano Energy, encontró que se produce más electricidad de lo que esperábamos, particularmente cuando recolectamos energía del movimiento.
Esta energía adicional o 'fantasma' debe tenerse en cuenta al diseñar la próxima generación de electrónica avanzada y, hasta hace poco, no había forma de saber cuánta energía fantasma (si es que había alguna) estaba presente en los recolectores de energía basados en el movimiento. .
Nuestro equipo de investigación ha descubierto una forma sencilla de identificar si esta energía fantasma está presente, simplemente observando la señal eléctrica producida por un material expuesto al movimiento.
Los materiales piezoeléctricos se han utilizado para la recolección y detección de energía durante varias décadas.
Su aplicación va desde recolectores de energía muy simples basados en contacto hasta redes complejas de sensores de vibración industrial, marcapasos, dispositivos de monitoreo de salud estructural y micropropulsores en satélites espaciales.
Los recolectores de energía convencionales basados en el movimiento utilizan uno o más principios de conversión de energía, como la inducción electromagnética (por ejemplo, turbinas eólicas), inducción electrostática (por ejemplo, generadores Van Der Graaff) y piezoelectricidad.
Los recientes avances en la ciencia de los materiales han acelerado el diseño y desarrollo de materiales funcionales que se basan en el fenómeno de la piezoelectricidad.
La piezoelectricidad convierte la energía mecánica a través de la deformación en energía eléctrica (voltaje). Por ejemplo, los polímeros que son bastante flexibles pueden sufrir cambios físicos temporales, como doblarse o torcerse, antes de volver a su forma anterior.
Esto, a su vez, hace que las cadenas de polímero internas se muevan, lo que, en ciertos polímeros, da como resultado una producción eléctrica.
La capacidad de estos materiales para producir continuamente una salida eléctrica con un mínimo esfuerzo ha interesado a investigadores y fabricantes de muchos campos.
En la actualidad, los materiales piezoeléctricos (particularmente los polímeros) se utilizan ampliamente como dispositivos portátiles (como zapatos, relojes o guantes inteligentes) para convertir el movimiento en energía eléctrica que se puede almacenar y utilizar.
Sin embargo, la fricción provocada por el material piezoeléctrico para producir una salida eléctrica puede provocar la acumulación de cargas electrostáticas en la superficie del material.
La electricidad estática es algo que muchos de nosotros hemos experimentado: recibir descargas eléctricas después de caminar en calcetines sobre una alfombra o ver relámpagos durante una tormenta eléctrica.
Esto se llama el efecto 'triboeléctrico', que puede ocurrir cuando dos materiales entran en contacto entre sí. En aplicaciones prácticas, como la recolección de energía del movimiento, comprender estos efectos adicionales introducidos por la fricción es esencial para evitar exponer los intrincados dispositivos electrónicos a un aumento inesperado en los rendimientos de energía.
Desafortunadamente, es extremadamente difícil distinguir entre señales piezoeléctricas intrínsecas y señales obstaculizadas por triboelectricidad. Esto se debe principalmente a las similitudes entre la piezoelectricidad y las enigmáticas señales triboeléctricas.
Entonces, protegimos los recolectores de energía, envolviendo el equipo en adhesivo conductor como cinta de carbón para identificar si las mediciones de los materiales piezoeléctricos eran precisas.
Descubrimos que las señales de los recolectores de energía blindados (sin interferencia triboeléctrica) tenían una respuesta de frecuencia única, en comparación con las señales de los recolectores de energía sin blindaje.
Descubrimos que simplemente tomando la salida eléctrica de un recolector de energía y convirtiéndola al dominio de la frecuencia, utilizando una técnica común de procesamiento de señales llamada transformada rápida de Fourier, se hace evidente de inmediato que la energía fantasma está presente en las mediciones.
Esta técnica puede ser utilizada por un software matemático muy simple como MATLAB.
La transformada rápida de Fourier toma una señal analógica, como el voltaje a lo largo del tiempo, y la convierte al dominio de la frecuencia, para ver cuánto y con qué frecuencia hay repetición dentro de esa misma señal.
La recolección de energía basada en el movimiento es un proceso relativamente simple, por lo que espera ver un espectro de frecuencia simple. Piense en este espectro como un solo rascacielos. Sin embargo, cuando el equipo de investigación agregó intencionalmente energía fantasma, este espectro de frecuencia ahora parecía el horizonte de una ciudad completa.
Estas denominadas distorsiones inducidas por armónicos pueden señalarse como interferencias de energía fantasma que, en la mayoría de los casos, amplifican la señal fuente.
Al saber cómo buscar energía fantasma, los ingenieros pueden estar seguros de que cualquier material de recolección de energía, tal vez aquellos en el espacio exterior o implantados en el cuerpo, producirán la cantidad exacta de energía que necesitan, ni más ni menos.
El método de la transformada de Fourier se usa regularmente en el análisis de datos para encontrar tendencias y anomalías dentro de las señales y podemos usar esta herramienta para identificar interferencias en nuestras mediciones piezoeléctricas.
Hay muchas ubicaciones pequeñas en los dispositivos de recolección de energía donde se produce fricción durante las pruebas, y estas ubicaciones pequeñas pueden marcar una gran diferencia en la salida.
Por ejemplo, podrían tomar una salida esperada de 1 voltio (V) a 10 V o incluso 50 V durante la prueba de referencia.
Si bien esto puede parecer algo bueno, toda esta energía adicional no se aprovechará. El pico inesperado de energía es como un fusible que se funde durante la caída de un rayo y el dispositivo no podría hacer frente a la energía adicional.
No es algo que quieras en el espacio exterior o dentro de tu cuerpo.
Probamos muestras piezoeléctricas en una variedad de formas y mostramos, utilizando nuestra técnica de transformada de Fourier simple y rápida, cómo se puede identificar la energía fantasma durante la evaluación comparativa.
Identificar y medir la energía fantasma significa que los investigadores pueden usar filtros de señal simples para aislar y eliminar cualquier interferencia.
Los fabricantes de recolectores de energía piezoeléctrica pueden aplicarlo durante la construcción, creando con confianza dispositivos hechos para biónica, naves espaciales o cualquier otra aplicación de precisión, y producir la cantidad exacta de energía que necesitan para mejorar la vida útil de un dispositivo. Tal vez para siempre piezo-vidas.
Este trabajo se completó con la asistencia del Aikenhead Center for Medical Discovery (ACMD) y el Departamento de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería e Informática, Universidad de Melbourne, y Andris Šutka, Instituto de Ingeniería de Materiales y Superficies, Facultad de Ciencias de los Materiales y Química Aplicada, Universidad Técnica de Riga.
Pancarta: Shutterstock
Publicado por primera vez el 8 de mayo de 2023 en Ingeniería y Tecnología
Ronald T. León
Candidato conjunto a doctorado; Departamento de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería y Tecnología de la Información, Universidad de Melbourne; Departamento de Materiales, Universidad de Manchester
Dr. Peter Sherrell
Miembro sénior honorario, Escuela de Ingeniería Química y Biomédica, Facultad de Ingeniería y Tecnología de la Información, Universidad de Melbourne
profesora amanda ellis
Líder de investigación, Ellis Research Group: Jefe de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería y Tecnología de la Información, Universidad de Melbourne
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Todos los artículos republicados deben atribuirse de la siguiente manera y contener enlaces tanto al sitio como al artículo original:"Este artículo se publicó por primera vez en Pursuit. Lea el artículo original".
Dr. Peter Sherrell, Profesora Amanda Ellis < /a> y Ronald T. LeonPor qué no quieres 'energía fantasma' en una nave espacial
Los materiales piezoeléctricos son materiales sólidos, como cristales, huesos o proteínas, que producen una corriente eléctrica cuando se someten a esfuerzos mecánicos.
Los materiales que recolectan energía de su entorno (a través de la luz, el calor y el movimiento) están llegando a las células solares, dispositivos electrónicos portátiles e implantables e incluso a las naves espaciales. Nos permiten mantener los dispositivos cargados durante más tiempo, incluso para siempre, sin necesidad de conectarlos a una fuente de alimentación.
Pero para que estos recolectores de energía funcionen de manera efectiva, debemos saber exactamente cuánta energía pueden producir.
Ahora, por primera vez, utilizando una técnica simple de procesamiento de señales, nuestro equipo ha demostrado que las señales eléctricas utilizadas para comparar materiales piezoeléctricos incluyen energía electrostática (o fantasma).
Cosecha gran energía de un pequeño movimiento
Nuestro research, publicado en la revista Nano Energy , descubrió que se produce más electricidad de lo que esperábamos, especialmente cuando recolectamos energía del movimiento.
Esta energía extra o 'fantasma' debe tenerse en cuenta al diseñar la próxima generación de electrónica avanzada y, hasta hace poco, no había forma de saber cuánta energía fantasma (si es que había alguna) era presente en los recolectores de energía basados en el movimiento.
Nuestro equipo de investigación ha descubierto una forma sencilla de identificar si esta energía fantasma está presente: simplemente observando la señal eléctrica producida por un material expuesto al movimiento.
Medición de energía fantasma
Los materiales piezoeléctricos se han utilizado para recolectar y detectar energía para varias decadas.
Su aplicación abarca desde recolectores de energía muy simples basados en contactos hasta redes complejas de sensores de vibración, marcapasos , monitorización del estado estructural dispositivos y micropropulsores en satélites espaciales.
Los recolectores de energía convencionales basados en el movimiento utilizan uno o más principios de conversión de energía, como electromagnetic inducción (p. ej., turbinas eólicas), inducción electrostática (p. ej., generadores Van Der Graaff) y piezoelectricity.
Los avances recientes en la ciencia de los materiales han acelerado el diseño y desarrollo de materiales funcionales que se basan en el fenómeno de la piezoelectricidad.
Desgaste dispositivos capaces que usan energía humana
La piezoelectricidad convierte la energía mecánica a través de la deformación en energía eléctrica (voltaje). Por ejemplo, los polímeros que son bastante flexibles pueden sufrir cambios físicos temporales, como doblarse o torcerse, antes de volver a su forma anterior.
Esto, a su vez, hace que las cadenas internas del polímero se muevan lo que, en ciertos polímeros, da como resultado una producción eléctrica.
La capacidad de estos materiales para producir continuamente una salida eléctrica con un mínimo esfuerzo ha interesado a investigadores y fabricantes de muchos campos.
Hoy en día, los materiales piezoeléctricos (particularmente los polímeros) se usan ampliamente como dispositivos portátiles (como zapatos inteligentes , relojes o guantes) para convertir el movimiento en energía eléctrica que se puede almacenar y utilizar.
triboeléctrico', que puede ocurrir cuando dos materiales entran en contacto entre sí. En aplicaciones prácticas, como recolectar energía del movimiento, comprender estos efectos adicionales introducidos por la fricción es esencial para evitar exponer los intrincados dispositivos electrónicos a un aumento inesperado en los rendimientos de energía.Desafortunadamente, es extremadamente difícil distinguir entre dispositivos intrínsecos señales piezoeléctricas y señales obstaculizadas por triboelectricidad. Esto se debe principalmente a las similitudes entre la piezoelectricidad y las enigmáticas señales triboeléctricas.
Un nuevo sensor móvil podría transformar las pruebas en áreas remotas
Entonces, protegimos los recolectores de energía, envolviendo el equipo en adhesivo conductor como cinta de carbón para identificar si las mediciones de los materiales piezoeléctricos eran preciso.
Descubrimos que las señales de los recolectores de energía protegidos (sin interferencia triboeléctrica) tenían una respuesta de frecuencia única, en comparación con las señales de los recolectores de energía sin blindaje.
Encontrar energía fantasma
Descubrimos que simplemente tomando la salida eléctrica de un recolector de energía y convirtiéndola en dominio de frecuencia, usando una técnica común de procesamiento de señales llamada transformada rápida de Fourier, se hace evidente de inmediato que la energía fantasma está presente en las mediciones.
Esta técnica puede ser utilizada por un software matemático muy simple como MATLAB.
La transformada rápida de Fourier toma una señal analógica, como el voltaje a lo largo del tiempo, y la convierte al dominio de la frecuencia, para ver cuánta y con qué frecuencia hay repetición dentro de esa misma señal.
La recolección de energía basada en el movimiento es un proceso relativamente simple, por lo que espera ver un espectro de frecuencia simple. Piense en este espectro como un solo rascacielos. Sin embargo, cuando el equipo de investigación agregó intencionalmente energía fantasma, este espectro de frecuencia ahora parecía el horizonte de una ciudad completa.
Las nanotintas podrían cambiar la forma en que usamos la energía
Estas llamadas distorsiones inducidas por armónicos pueden identificarse como interferencias de energía fantasma que, en la mayoría de los casos, amplifican la señal fuente.
Al saber cómo buscar energía fantasma, los ingenieros pueden estar seguros de que cualquier material de recolección de energía, tal vez aquellos en el espacio exterior o implantados en el cuerpo, producirán la cantidad exacta de energía que necesitan, no más. , no menos.
Eliminación de la energía fantasma
El método de transformada de Fourier se usa regularmente en el análisis de datos para encontrar tendencias y anomalías dentro de las señales y podemos usar esta herramienta para identificar interferencias en nuestras mediciones piezoeléctricas.
Hay muchas ubicaciones pequeñas en los dispositivos de recolección de energía donde se produce fricción durante las pruebas, y estas ubicaciones pequeñas pueden marcar una gran diferencia en la salida.
Por ejemplo, podrían tomar una salida esperada de 1 voltio (V) a 10 V o incluso 50 V durante las pruebas comparativas.
Si bien esto puede parecer algo bueno, toda esta energía adicional no se aprovechará. El pico inesperado de energía es como un fusible que se funde durante la caída de un rayo y el dispositivo no podría hacer frente a la energía adicional.
No es algo que quieras en el espacio exterior o dentro de tu cuerpo.
Los nanocables son más ecológicos nanodispositivos
Probamos muestras piezoeléctricas en una variedad de formas y demostramos, utilizando nuestra técnica de transformada de Fourier simple y rápida , cómo se podría identificar la energía fantasma durante la evaluación comparativa.
Identificar y medir la energía fantasma significa que los investigadores pueden usar filtros de señal simples para aislar y eliminar cualquier interferencia.
Los fabricantes de recolectores de energía piezoeléctrica pueden aplicarlo durante la construcción (creando con confianza dispositivos hechos para biónica, naves espaciales o cualquier otra aplicación de precisión) y producir la cantidad exacta de energía que necesitan para mejorar la vida útil de un dispositivo. Tal vez para siempre piezo-vidas.
Este trabajo se completó con la ayuda de Aiken< /a>director del Centro para el Descubrimiento Médico (ACMD) y < em>el Departamento de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería y TI, Universidad de Melbourne, y Andris Šutka, Instituto de Ingeniería de Superficies y Materiales, Facultad de Ciencias de los Materiales y Química Aplicada , Universidad Técnica de Riga.
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