211service.com
Dessa stövlar gjordes för att generera kraft
James Wimshurst var en ingenjör och uppfinnare från 1800-talet som skapade en fascinerande maskin för att generera höga spänningar. Maskinen som nu bär hans namn består av två motroterande skivor försedda med metalllappar.
Skivorna är i kontakt med två metallborstar kopplade till ett par metallkulor åtskilda av ett litet gap. Borstarna tar upp laddning från skivorna, som bygger på sfärerna så att en gnista så småningom hoppar över gapet mellan dem. Mekanismen som laddar sfärerna är elektrisk induktion, som förstärker eventuell liten laddning på metallplåstren.
Under 1800-talet och början av 1900-talet använde fysiker och ingenjörer Wimshurst-maskiner och liknande apparater för att driva röntgenmaskiner och till och med partikelacceleratorer. Men idag är dessa maskiner sällsynta, de används endast i vetenskapsmuseer och klassrum för att demonstrera principerna för elektrostatik.
Idag kan det förändras tack vare arbetet av Maria Napoli och kollegor vid University of California, Santa Barbara, som har återuppfunnit Wimshurst-maskinen för 2000-talet. Dessa människor har skapat en mikrofluidisk version som kan skörda energi från miljön och förvandla den till användbar kraft.
I den nya enheten strömmar droppar av kvicksilver i olja genom en kanal som är utskuren i ett ark av PDMS (polydimetylsiloxan) plast. Kanalen bär kvicksilverdropparna förbi varandra i motsatta riktningar, precis som de motroterande skivorna i en konventionell Wimshurst-maskin.
Elektroder inbäddade i mikrofluidkanalen bär bort laddning när den byggs upp. Men istället för att skapa gnistor kan denna laddning användas som kraft. Napoli och co beräknar att en krets i centimeterskala med kanaler som bara är 300 mikrometer breda, med kvicksilverdroppar som flödar med en hastighet av 10 millimeter per sekund, kan generera cirka 12 mikrowatt effekt.
Teamet har byggt en proof-of-principe-enhet för att testa idén. Den mikrofluidiska Wimshurst-maskinen består av en huvudkanal bara fem centimeter lång, som bär några kubikmillimeter kvicksilver. Den genererar en liten del av den teoretiska maximala effekten – bara fyra nanowatt.
Men det här stör inte laget. Mikrofluidik tillåter en rad förbättringar som inte är möjliga med solid-state-enheter, som att ändra bredden och separationen av kanalerna och bättre kontroll av droppstorleken och distributionen.
Beräkningar indikerar att enkla förbättringar av geometrin borde kunna öka uteffekten från en enkanalig enhet med upp till tre storleksordningar, säger de.
Dessutom kan flera kanaler enkelt köras i serie eller parallellt för att generera ännu mer kraft. Och en stor fördel med den här typen av mikrofluidanordning gentemot andra energiskördare är att den inte behöver köras med en resonansfrekvens.
Napoli och co studerar den potentiella effekten av denna typ av anordning som drivs av en membranpump i hälen på en känga. Om man antar att en person kan gå med en hastighet av ett steg per sekund, kan en pump med två centimeter i diameter ge tillräckligt med flöde för 250 parallella mikrofluidkanaler, vilket tillsammans skulle producera en effekt på cirka 10 milliwatt, säger Napoli och co.
Det är ungefär tillräckligt för att driva lasern i en DVD-enhet, och ett lovande belopp för olika lågenergikommunikationsenheter och sensorer som för närvarande är under utveckling.
Det finns alltså goda skäl att förvänta sig att en uppskalad version av vår prototypenhet skulle kunna vara bärbar, praktisk och tillräckligt kraftfull för en mängd olika användningsområden för energiskörd, avslutar de.
Naturligtvis finns det utmaningar framför oss. En viktig fråga hänger över hållbarheten hos en sådan enhet med tanke på det bultande som stövlar går igenom under sin livstid. Men det är en utvecklingsfråga som teamet kan arbeta med.
Kanske kommer det inte att dröja länge innan det bästa sättet att ladda en telefon är att dra på ett par pumpar och springa. Wimshurst skulle säkert bli förvånad.
Ref: arxiv.org/abs/1803.02454 : Energiskörd med en flytande metall mikroflödesmaskin