in een lab van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), heeft Sangtae Kim geknutseld met een flinterdun apparaat ter grootte van een stempel. Kim is geïnteresseerd in het oogsten van energie uit mensen (hoewel niet het soort dat mensen verandert in batterijen in de film, The Matrix). Hij wil bewegingen, zoals lopen en rennen, gebruiken om sensoren en draagbare gadgets aan te drijven.
“het biedt een nieuwe manier van het oogsten van menselijke energie,” Kim zegt over zijn prototype apparaat, die hij onlangs beschreef in een artikel coauteur met zijn adviseur, prof. Ju Li en andere onderzoekers.
“elke beweging is mogelijk om te oogsten, maar je zou niet willen kleren vol met harvesters. Ik zou me richten op de zolen van schoenen – dat is waar de meeste energie zit,” zegt Kim.
het idee van het gebruik van beweging om elektriciteit op te wekken is niet nieuw, hoewel het verre van alledaags is. Er zijn stationaire hometrainers met motoren om zweterige workouts in de sportschool om te zetten in energie. Maar draagbare energierooiers die menselijke beweging gebruiken, zijn nog niet op de markt gekomen, deels omdat ze nog niet genoeg energie hebben opgewekt, zegt Harry Zervos, een analist bij marktonderzoeksbureau IDTechEx.
het concept van menselijke energie is veelbelovend. Het gebruik van energie die anders zou worden verspild is aantrekkelijk in een tijd waarin de plannen om klimaatverandering te bestrijden ook het gebruik van minder energie of energie met een lagere koolstofuitstoot omvatten.
Kim richt zich op een groeiende markt voor consumentenelektronica. Volgens IDC, een marktonderzoeksbureau, zullen zendingen draagbare elektronica wereldwijd toenemen van een voorspelde 111m-apparaten in 2016 naar 214,6 m in 2019. IDTechEx verwacht dat de jaarlijkse wearables omzet te springen van $ 20bn in 2015 tot bijna $ 70bn in 2025.
zoektocht naar kleinere, krachtigere batterijen
Wearables verzamelen en communiceren draadloos gegevens, zoals mobiele telefoons, en het verlengen van de levensduur van de batterij is een van de grote technische uitdagingen voor ontwerpers. Net als mobiele telefoons zijn ze op weg om dunner en verfijnder te worden. Ontwerpers van wearables – zoals Apple Watch, Google Glass en fitness en gezondheid polsbandjes – jagen op technologie die deze gadgets langer kan laten draaien tussen het opladen. Dit betekent dat batterijen die meer energie kunnen verpakken in kleinere ruimte of apparaten die anders een energieboost zouden kunnen bieden zonder dat ze in de muur hoeven te worden aangesloten.
Lithium-ion batterijen, die ook de voeding van de meerderheid van de consumentenelektronica, zoals laptops, zijn de go – to voedingsbron voor wearables. Maar hun prestaties dalen wanneer ze moeten krimpen om krappere ruimtes te passen, volgens Christine Ho, CEO van Imprint Energy, een batterij ontwikkelaar in Californië.
“het is een raadsel voor productontwerpers, die beginnen te beseffen dat ze creatiever moeten denken”, zegt Ho. “Nieuwe batterijen hebben de mogelijkheid om aan de vraag te voldoen.”
Gadget makers, zoals Samsung, experimenteren met batterijen die dunner en flexibel zijn, zodat ze gemakkelijker passen in wearables die om de vinger, pols en enkel wikkelen. Imprint Energy ontwikkelt ultradunne en flexibele zinkbatterijen, die in een bepaald volume meer energie kunnen opslaan dan lithium en veilig en niet giftig zijn, zegt Ho.
maar deze opkomende batterijtechnologieën zijn meestal duur en moeilijk in massa te produceren. De verkoop van ultra-dunne en flexibele Batterijen voor draagbare apparaten zal naar verwachting bereiken $ 300m in 2020, zegt Tony Sun, een analist bij marktonderzoeksbureau Lux Research. De verkoop zou kunnen springen Naar maar liefst $4bn tegen die tijd, voorspelt hij, maar alleen als die batterijen kunnen komen in prijs naar het niveau van lithium-ion batterijen. Dit zou aanzienlijke investeringen vereisen voor technische doorbraken, voegt Sun toe.
energiewinning
het idee om menselijke bewegingen te benutten kwam op een avond in December 2013 naar Kim, toen hij een e-mail kreeg van Li, die net een bijeenkomst van materiaalwetenschappers had bijgewoond, waar gesprekken over lithium-ion-batterijen een discussie over stress op de batterij bevatten. Het toepassen van stress op een lithiumbatterij verandert de spanning en vermindert de capaciteit van de batterij. Maar wat als je deze stress in een voordeel kon omzetten?
“het was een e-mail met twee zinnen die me volledig wakker maakte,” herinnert Kim zich. “Toen begon ik dit apparaat te ontwerpen. Het kostte me een jaar om het te bouwen en nog een jaar om volledig te begrijpen wat het deed. We wilden zeker weten dat het geen bijwerking was.”
wat Kim bedacht is een apparaat met een vergelijkbare structuur als een batterij: twee geleidende elektroden gescheiden door een vloeibare elektrolyt. In tegenstelling tot een batterij gebruikt de energierooier dezelfde samenstelling, een mix van lithium en silicium, voor beide elektroden. Dit creëert een volleying effect wanneer fysieke stress wordt toegepast.
de druk dwingt een elektrode lithiumionen uit te spugen en verstoort daarbij een evenwicht waardoor de andere elektrode zich opent en het afgekeurde lithium accepteert. De elektrolyt dwingt hen om te scheiden in lithium-ionen en elektronen. De elektronen reizen door een circuit en worden opgevangen als elektriciteit. De elektronen ontmoeten dan lithiumionen aan de andere kant en bewegen zich in de elektrode.
zonder het apparaat af te sluiten neemt de spanning weg en zorgt ervoor dat de elektronen en lithiumionen de andere kant op gaan. Die omkering zorgt voor een andere stroom van elektrische stroom voordat de twee terug naar huis naar de oorspronkelijke elektrode.
Kim ‘ s prototype genereert nog niet genoeg elektriciteit voor wearables. Hij zegt dat hij de efficiëntie moet verhogen – het percentage mechanische energie dat wordt omgezet in elektriciteit – van 0.6% tot 6%, om het krachtig genoeg te maken voor apparaten zoals polsbandjes.
het verhogen van de energieopbrengst en levensduur van een energieoogster zal cruciaal zijn om het gebruik ervan populair te maken, zegt Kevin Lloyd, medeoprichter en hoofd technologie bij het in Californië gevestigde Whistle Labs, dat een op GPS gebaseerde hondenhalsband heeft ontwikkeld om de locatie, gezondheid en andere activiteiten van uw harige vriend te volgen.
“als we kijken naar het bouwen van draagbare apparaten, balanceren we wetenschap, levensduur van de batterij en kosten”, zegt Lloyd. “Je wilt niet elke dag de halsband van je huisdier moeten afdoen. Als je een of twee weken op vakantie bent, wil je dat het die hele tijd duurt.”
een ander obstakel om de energierooier te laten werken: onze lichaamsbewegingen zijn niet voorspelbaar of consistent, waardoor het moeilijk is om op elk moment een betrouwbare hoeveelheid energie op te wekken, zegt Ho.
het aanpakken van de uitdaging van het ontwerpen van zijn onderzoek naar een draagbare gadget zal belangrijk zijn, Kim erkent en voegt eraan toe dat hij al gehoord heeft van een paar bedrijven, waaronder makers van slimme horloges en medische hulpmiddelen, die geïnteresseerd zijn in het integreren van het energie-oogstproces.
“maar we moeten deze technologie eerst volwassener maken, voordat we erover nadenken om ze te commercialiseren”, zegt hij.
{{topLeft}}
{{bottomLeft}}
{{topRight}}
{{bottomRight}}
{{/goalExceededMarkerPercentage}}
{{/ticker}}
{{heading}}
{{#paragraphs}}
{{.}}
{{/leden}}{{highlightedText}}
{{#choiceCards}}
{{/choiceCards}}
- Delen op Facebook
- Delen op Twitter
- delen via e-mail
- Delen op LinkedIn
- Delen op WhatsApp
- Delen op Messenger