Zespół badaczy, posiłkując się prostą techniką przetwarzania sygnału, wykazał właśnie po raz pierwszy, że sygnały elektryczne używane do testów porównawczych materiałów piezoelektrycznych obejmują również energię elektrostatyczną. Badania, opublikowane w czasopiśmie: „Nano Energy”, uwidoczniły, że w niektórych systemach wytwarza się więcej zasobów, niż jest to przewidywane, szczególnie gdy pozyskujemy energię z ruchu. Ta dodatkowa lub 'fantomowa' nadwyżka musi być uwzględniona podczas projektowania następnej generacji zaawansowanej elektroniki. Jednak do niedawna nie było sposobu, aby stwierdzić, ile takiej energii (jeśli w ogóle) było dostępne w zbieraczach zasobów opartych na ruchu.
Grupa badaczy z Uniwersytetu w Melbourne odkryła prosty sposób na określenie, czy energia fantomowa jest obecna — wystarczy spojrzeć na sygnał elektryczny wytwarzany przez materiał wystawiony na ruch.
Pomiar energii fantomowej
Materiały piezoelektryczne są wykorzystywane do pozyskiwania zasobów i pomiarów drobnych ruchów od co najmniej kilkudziesięciu lat. Ich zastosowanie sięga od bardzo prostych, kontaktowych zbieraczy energii po złożone sieci przemysłowych czujników drgań, rozruszników serca, urządzeń do monitorowania stanu konstrukcji i mikrosilników w satelitach kosmicznych. Konwencjonalne zbieracze energii bazujące na ruchu wykorzystują jedną lub więcej zasad konwersji zasobów, takich jak indukcja: elektromagnetyczna (np. turbiny wiatrowe), elektrostatyczna i piezoelektryczność. Ostatnie postępy w materiałoznawstwie przyspieszyły projektowanie i rozwój materiałów funkcjonalnych, które opierają się na zjawisku piezoelektryczności. To ostatnie pozwala na przekształcanie energii mechanicznej, poprzez odkształcenie kryształu, w elektryczną. Na przykład polimery, które są dość elastyczne, mogą przechodzić tymczasowe zmiany fizyczne, takie jak zginanie lub skręcanie, zanim powrócą do poprzedniej formy. To z kolei powoduje ruch wewnętrznych łańcuchów polimerowych, co w przypadku niektórych polimerów skutkuje wytwarzaniem energii elektrycznej. Zdolność tych elementów do ciągłego generowania zasobów przy minimalnej pracy zainteresowała badaczy i producentów z wielu dziedzin. Obecnie materiały piezoelektryczne (zwłaszcza polimery) są szeroko spożytkowywane jako budulce urządzeń do noszenia (takich jak inteligentne buty, zegarki lub rękawiczki) do przekształcania ruchu w energię elektryczną, którą można przechowywać i wykorzystywać. Jednakże tarcie powodujące, że materiał piezoelektryczny wytwarza zasoby, może kończyć się również gromadzeniem się ładunków elektrostatycznych na powierzchni elementu.
Niemalże chyba każdy doświadczył działania elektryczności statycznej — porażenia prądem po chodzeniu w skarpetkach po dywanie lub obserwując błyskawice podczas burzy. Źródło tego zjawiska leży w efekcie, który nazywa się tryboelektrycznym. Występuje on, gdy dowolne dwa materiały stykają się ze sobą. W praktycznych zastosowaniach, takich jak pozyskiwanie energii z ruchu, zrozumienie tych dodatkowych ujęć wprowadzanych przez tarcie jest niezbędne, aby uniknąć narażenia skomplikowanych urządzeń na nieoczekiwany wzrost sprawności energetycznej. Niestety, rozróżnienie między wewnętrznymi sygnałami piezoelektrycznymi a tymi tryboelektrycznymi jest niezwykle trudne. Wynika to przede wszystkim z podobieństw między oboma ww. aspektami.
Dlatego badacze osłonili systemy do zbierania energii, owijając sprzęt przewodzącym klejem, takim jak taśma węglowa, aby sprawdzić, czy pomiary z materiałów piezoelektrycznych były dokładne. Zaobserwowano, że sygnały z ekranowanych zbieraczy energii (bez zakłóceń tryboelektrycznych) mają unikalną charakterystykę częstotliwościową w porównaniu z tymi z nieekranowanych.
Znalezienie zasobów fantomowych
Naukowcy z Melbourne odkryli, że po prostu zbierając sygnał elektryczny z urządzenia i transformując go w domenę częstotliwości, za pomocą szybkiej transformaty Fouriera, natychmiast staje się jasne, że w pomiarach obecna jest energia z innych źródeł niż piezoelektryczność. Ta technika może być używana przez proste oprogramowanie matematyczne, takie jak MATLAB.
Gromadzenie zasobów oparte na ruchu jest stosunkowo nieskomplikowanym procesem, więc należy spodziewać się niepozornego widma częstotliwości. Jednak kiedy zespół badawczy celowo dodał energię z innego, 'fantomowego' źródła, to ww. wyglądało jak panorama całego miasta. Te tak zwane zniekształcenia indukowane harmonicznymi można wyróżnić jako zakłócenia, których sprawcą są ujęcia energii fantomowej. I te w większości przypadków wzmacniają sygnał. Wiedząc, jak szukać tych zasobów, inżynierowie mogą być pewni, że wszelkie materiały zbierające energię, na przykład te w przestrzeni kosmicznej lub wszczepione w ciało, wyprodukują dokładnie taką jej ilość, jakiej potrzebują — ani więcej, ani mniej.
Usuwanie zasobów fantomowych
Metoda transformaty Fouriera jest regularnie stosowana w analizie danych do znajdowania trendów i anomalii w sygnałach. Naukowcy z Melbourne wykorzystali to narzędzie do identyfikacji zakłóceń w pomiarach piezoelektrycznych. Istnieje wiele małych miejsc na urządzeniach do pozyskiwania energii, w których podczas weryfikacji występuje tarcie — i te zjawiska mogą mieć ogromny wpływ na sprawność tych układów. Na przykład w trakcie testów porównawczych inżynierowie mogą przyjąć oczekiwane napięcie wyjściowe na poziomie od 1 do 10 V, a uzyskać 50 V. Chociaż może się to wydawać dobrą rzeczą, cała ta dodatkowa energia nie zostanie zebrana. Nieoczekiwany skok mocy jest jak przepalenie bezpiecznika podczas uderzenia pioruna, a sprzęt nie ma jak poradzić sobie z tą nadwyżką. Nie jest to coś, czego chcemy w kosmosie czy w naszym ciele.
Identyfikacja i pomiar energii fantomowej oznacza, że badacze mogą teraz używać prostych filtrów sygnału do izolowania i eliminowania wszelkich zakłóceń. Producenci piezoelektrycznych części do zbierania zasobów mogą stosować te metody pomiarowe podczas projektowania elementów, szczególnie tworząc urządzenia przeznaczone dla bioniki, statków kosmicznych lub innego precyzyjnego użytku. I ostatecznie wytwarzać dokładnie taką ilość energii, jakiej potrzebują, aby wydłużyć żywotność sprzętów.
Źródło: https://techxplore.com/news/2023-05-dont-phantom-energy-spacecraft.html
Cool? Ranking DIY
