Pozyskiwanie energii piezoelektrycznej w mikroskali
Pozyskiwanie energii przy niskich częstotliwościach było trudne z uwagi na kruchość materiałów, z których wykonane były urządzenia do pozyskiwania energii. W szczególności ograniczona sztywność konwencjonalnych materiałów krzemowych i wszystkich materiałów piezoelektrycznych ograniczała możliwości rozwoju układów pozyskiwania energii z wibracji w zakresie poniżej 100 Hz. Tym problemem braku trwałych układów pozyskiwania energii w zakresie niskiej częstotliwości zajęli się naukowcy realizujący projekt MANPOWER (Energy harvesting and storage for low frequency vibrations). "Głównym celem było opracowanie materiałów i struktur elektronicznych dla dwóch głównych komponentów urządzenia do pozyskiwania energii niskiej częstotliwości: urządzenia do pozyskiwania energii oraz urządzenia do magazynowania ładunków", podkreśla dr Cian Ó Murchú, koordynator projektu finansowanego przez UE. Docelowym zakresem częstotliwości wibracji był zakres 20-30 Hz. W tym celu nanotechnolodzy, eksperci w zakresie technologii komunikacyjnych podjęli współpracę z fizykami i opracowali technologię, która pozwala na pozyskanie energii bicia serca. Partnerzy projektu MANPOWER opracowali polimeryczne substraty cechujące się drganiami samowzbudnymi oraz zoptymalizowali materiały piezoelektryczne, które mogą być wykorzystywane na docelową skalę. Wibrujący wspornik, który został stworzony z użyciem tych materiałów, odpowiada na ruchy bijącego ludzkiego serca. Chociaż ta technologia była wcześniej dostępna w zastosowaniach o większej skali w mechanice i przemyśle, kolejnym krokiem w pracach było zaadaptowanie jej do zastosowania w rozrusznikach z własnym źródłem zasilania. Jednym z największym wyzwań z jakimi musieli zmierzyć się partnerzy projektu MANPOWER był rozmiar rozrusznika. "Mniejszy rozmiar urządzenia do pozyskiwania energii oznacza, że moc, jaka może zostać uzyskana, również się zmniejsza. Początkowe wymagania w zakresie mocy rozruszników były znacznie wyższe niż te możliwe do osiągnięcia przez maleńkie urządzenia do pozyskiwania energii. Jednakże zdołaliśmy spełnić wymagania specyfikacji poprzez połączenie optymalizacji konstrukcji i materiału, a także udoskonalenie zespołu obwodów elektrycznych", wyjaśnia dr Ó Murchú. Wszczepialne urządzenie wymagało również niekompatybilnych technologii pakowania, aby zintegrować pełny system oraz teoretyczne modelowanie i ocenić stopień niezawodności komponentów oraz okres ich eksploatacji. Przed zakończeniem projektu prototypowy pakiet rozrusznika wraz z trzyosiowym akcelerometrem został wszczepiony do serca owcy w celu przeprowadzenia badań in vivo. Wyniki są obiecujące i potwierdzają możliwość poprawienia komfortu życia pacjentów cierpiących na choroby serca. Rozruszniki, które wykorzystują urządzenia pozyskujące energię z wibracji są wystarczająco małe, aby wszczepić je do ściany serca i będą działać znacznie dłużej niż baterie konwencjonalnych rozruszników serca. Według dr. Ó Murchú, "Urządzenie do pozyskiwania energii MANPOWER może być stosowane do innych źródeł wibracji o niskiej częstotliwości, takich jak ruch ludzi, silniki pojazdów, ruch statków oraz fale".
Słowa kluczowe
Pozyskiwanie energii, rozruszniki, materiały piezoelektryczne, MANPOWER, wibracje o niskiej częstotliwości
