Mikrokraftverket

Det lager elektrisk strøm. Ikke med fosser i rør, men med dråper på plastfilm.

Publisert
En dråpe av et strømledende organisk stoff er dekket med pulverkorn av teflon for å trille lett over elektrodene der strømmen lages. (Foto: Einar Halvorsen, Høgskolen i Vestfold)
En dråpe av et strømledende organisk stoff er dekket med pulverkorn av teflon for å trille lett over elektrodene der strømmen lages. (Foto: Einar Halvorsen, Høgskolen i Vestfold)

Kondensator-kraftverk

Energihøsteren som utvikles på Høgskolen i Vestfold, virker etter omtrent samme prinsipp som en elektret kondensatormikrofon.

Den ene elektroden i kondensatoren er dråpen av ionisk væske (ionic liquid marble), og den andre er en av metallelektrodene. Siden det er mange av elektrodefingrene, blir det mange kondensatorer, benevnt C1, C2 osv.

Teflonlaget mellom elektrodene i for eksempel C1 har to oppgaver. Den ene er å være en elektret med en elektrisk ladning, som trekker motsatte ladninger ut på undersiden av dråpen, slik at den får en ladningsfordeling.

Den andre oppgaven er å være det dielektriske laget mellom elektrodene i kondensatoren, for eksempel C1. Dette laget bør være så tynt som mulig for maksimal kapasitans.

Når dråpen beveger seg over teflonet, tilsvarer det at elektrodene i mikrofonen beveges av lydbølgene: kapasitansen i C1, C2 osv. endres, slik at ladninger beveges og skaper en liten elektrisk strøm.


 

Prinsippet for energihøsteren er noe mer komplisert. Under teflonlaget sitter altså elektroder flettet sammen annenhver gang til hver sin elektriske kontakt.

To naboelektroder i et par danner også en kondensator (C0) i parallell med dråpekondensatorene (C1 og C2) som dråpen lager med hver elektrode.

Når dråpen flytter seg, endres kapasitansen som en bølge, tidsforsinket mellom dråpe-elektrodekondensatorene C1 og C2.

Differanskapasitansen gir opphav til en liten strøm gjennom en ytre krets tilkoblet elektrodene.

Jo fortere dråpen beveger seg, desto større blir effekten.

På en glassplate fletter gylne metallfingre seg inn i hverandre. De er dekket av et tynt lag polymerplast.

På den ene siden av glassplata ligger en dråpe. Plata bikkes opp i den ene enden. Dråpen renner nedover plastfilmen, på tvers av de gylne flettefingrene.

Hvordan kan noe slikt lage elektrisk strøm?

- Det er ikke stor effekt som kommer ut, men ved å kombinere flere dråper kan det være nok til å drive sensorer i kroppen, elektroniske bilnøkler eller annen elektronikk, sier Einar Halvorsen.

Han er professor ved Institutt for mikro- og nanoteknologi ved Høgskolen i Vestfold, og har ledet arbeidet med å utvikle dråpekraftverket.

Energihøsting

- Dette er et eksempel på det som kalles energihøstere, forklarer han. Dette er små enheter som henter ut elektrisk energi fra for eksempel kroppsbevegelser, sjøgang eller maskiner som vibrerer.

Energihøstere gjør batterier overflødige. Har du sensorer under huden, slipper du å ha ledninger ut av kroppen, eller få et kirurgisk inngrep for å skifte batteri.

- Vårt dråpekraftverk virker omtrent på samme måten som den mikrofonen du har på videokameraet, forklarer Halvorsen. – Mikrofonen er laget med elektret-teknologi, akkurat som dråpefangeren.

Teflon

Så hva er en elektret, og hvordan virker det?

Enkelt fortalt, så er elektreter stoffer som kan holde på en elektrisk ladning i lange tider, flere titalls, kanskje flere hundre år.

- Elektreten vår er det tynne polymerlaget oppå elektrodene, sier Halvorsen. Polymeren er den samme som er kjent under varemerket Teflon. Det kjenner de fleste fra belegget i stekepanna.

Denne teflon-elektreten blir lagt oppå elektrodene i en spesiell prosess. Det tynne laget har en elektrisk minusladning ytterst.

- Vanligvis blir oppsamling av ladning betraktet som et problem, sier Halvorsen.
- Men vi utnytter det som vanligvis regnes som en produksjonsfeil til vår fordel!

To prototyper av energihøsteren basert på en strømledende dråpe som glir over elektroder, utviklet ved Institutt for mikro- og nanoteknologi ved Høgskolen i Vestfold. (Foto: Arnfinn Christensen)
To prototyper av energihøsteren basert på en strømledende dråpe som glir over elektroder, utviklet ved Institutt for mikro- og nanoteknologi ved Høgskolen i Vestfold. (Foto: Arnfinn Christensen)

Elektrisk dråpe

Så kommer dråpen rennende forbi. Dråpen er laget av en væske som leder elektrisk strøm. Hva skjer?

- Når dråpen møter minusladninger fra teflon-laget, blir positive ladninger trukket mot undersiden av dråpen. Motsatte ladninger tiltrekker hverandre, forklarer Halvorsen.

Elektriske ladninger som flytter seg, er det det samme som elektrisk strøm. Siden dråpen beveger seg over elektrodene, går det også en elektrisk strøm gjennom dem. Ørliten, men stor nok til at Halvorsen og hans medarbeidere  Zhaochu Yang og Tao Dong kan utnytte den.

Langsomme bevegelser

- Det finnes også andre typer energihøstere, sier han. – Mange av dem virker best med raske, jevne svingninger, omtrent som en pendelbevegelse. Vår energihøster henter strøm ut av langsomme og uregelmessige bevegelser.

En slik bevegelse kan for eksempel være normalt ganglag, en annen er langsom sjøgang.

Kvikksølv

Prototypene som Halvorsen viser fram, er mye større enn de ferdige produktene er ment å bli. Prototypene er laget for å prøve ut virkemåten, ikke for praktisk bruk. Og mer utprøving gjenstår.

- Vi har ennå problemer med dråpen, sier Halvorsen. – Det ideelle materialet å lage dråpen av er kvikksølv. Kvikksølv leder elektrisk strøm, fordamper langsomt, og preller lett av underlaget, slik at det ikke klistrer seg fast.

Men kvikksølv er et giftig stoff. Ingen vil ha kvikksølv på kroppen eller i miljøet rundt oss, hvor godt innpakket det enn måtte være.

Må prelle av

Forskerne prøvde også andre strømledende væsker, slik som ioniske væsker. Dette er salter som er flytende ved romtemperatur. De var riktignok ikke giftige, men hang for godt fast. Hva kunne de gjøre med det?

Dråpe på lotusblad, fotografert utenfor tempelet i Xiamen. (Foto: via Einar Halvorsen)
Dråpe på lotusblad, fotografert utenfor tempelet i Xiamen. (Foto: via Einar Halvorsen)

- En vanlig måte å unngå dette problemet, er å etterligne hvordan en vanndråpe preller av på et lotusblad. Det kommer av små nanomønstre i bladet, forteller Halvorsen.

- Vi samarbeider med universitetet i den kinesiske byen Xiamen. En idé forskerne fikk, vises her på et bilde som er tatt av en dråpe ionisk væske på et lotusblad, sier Halvorsen.

- Det er plukket utenfor tempelet i Xiamen. Se hvor lett dråpen preller av!

Kunne forskerne lage tilsvarende nanomønstre i teflonlaget? Ja, men det ville bli kostbart. Trolig for kostbart til at energihøsteren kunne bli et salgbart produkt.

Flytende klinkekuler

- Vi kom over en artikkel fra 2007 om ioniske flytende klinkekuler, sier Halvorsen. – Det er dråper av ioniske væsker, tilsatt små pulverkorn.

Disse pulverkornene var laget av det samme stoffet som underlaget, teflon. Dermed klistret de seg ikke fast. Ulempen var at det lille dråpekraftverket produserte bare hundredelen så mye effekt som med kvikksølv.

- Vi arbeider fortsatt for å øke effekten med ioniske flytende klinkekuler, sier Halvorsen.

- Kanskje vil det hjelpe med pulverkorn av teflon som er enda mindre. Kanskje vil energihøsteren få mange parallelle dråper, som renner over hvert sitt teflonlag. Vi har fortsatt mye å gjøre, avslutter Einar Halvorsen.

Professor Einar Halvorsen fra Høgskolen i Vestfold med to prototyper av energihøsteren. (Foto: Arnfinn Christensen)
Professor Einar Halvorsen fra Høgskolen i Vestfold med to prototyper av energihøsteren. (Foto: Arnfinn Christensen)

Referanse:

Zhaochu Yang, Einar Halvorsen, and Tao Dong: Power generation from conductive droplet sliding on electret film, Applied Physics Letters 100, 213905 (2012)