Wissenschaftler haben ein bahnbrechendes Werkzeug namens C-PVEH entwickelt, das kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) und piezoelektrische Verbundwerkstoffe kombiniert, um aus Umgebungsvibrationen Strom zu erzeugen. Dieses langlebige und effiziente Gerät kann IoT-Geräte mit Strom versorgen und bietet einen bedeutenden Fortschritt in der Energiespartechnologie. Durch die Nutzung von Vibrationen haben sie mit dieser Methode und den verwendeten Materialien eine äußerst zuverlässige Lösung zur Energiegewinnung geschaffen.
Ein Wissenschaftlerteam hat ein bahnbrechendes Gerät entwickelt, das Schwingungsenergie nutzt. Es nutzt eine Kombination aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und piezoelektrischen Verbundwerkstoffen. Es erzeugt Strom aus geringsten Umgebungsschwingungen. Das neu entwickelte C-PVEH-Gerät stellt eine langlebige und zuverlässige Lösung mit hohem Wirkungsgrad für die Stromversorgung von IoT-Geräten dar und markiert einen bedeutenden Fortschritt in der Energiespartechnologie.
Beide piezoelektrischen Verbundwerkstoffe mit kohlenstofffaserverstärktem Polymer (CFK) , einem gängigen Material, sind leicht und robust . Das neue Gerät wandelt Vibrationen aus der Umgebung in Elektrizität um und macht so energieautarke Sensoren effizienter und zuverlässiger, wie die veröffentlichte Studie zeigt. Die Energiegewinnung ist für eine nachhaltige Zukunft unerlässlich, da sie die Umwandlung von Umweltenergie in nutzbare elektrische Energie ermöglicht.
Fumio Narita, Mitautor der Studie und Professor an der Graduiertenschule für Umweltstudien der Universität Tohoku, sagt: „Alltagsgegenstände, vom Kühlschrank bis zur Straßenlaterne, sind als Teil des Internets der Dinge (IoT) mit dem Internet verbunden, und viele von ihnen sind mit Sensoren ausgestattet, die Daten sammeln.“
„Diese IoT-Geräte benötigen jedoch Strom, um zu funktionieren, was eine Herausforderung darstellt, wenn sie sich an abgelegenen Orten befinden oder wenn es sehr viele davon gibt“, fügte Fumio hinzu.
Elektrische Energie kann durch Sonnenstrahlen, Wärme und Vibrationen erzeugt werden. Piezoelektrische Materialien besitzen die bemerkenswerte Fähigkeit, durch physikalische Belastung Elektrizität zu erzeugen , wodurch sie sich ideal zur Nutzung von Vibrationsenergie eignen. Die Langlebigkeit und das geringe Gewicht von CFK machen es ideal für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Sportgeräteindustrie und der Medizintechnik.
Professor Narita sagt: „Wir haben überlegt, ob ein piezoelektrischer Schwingungsenergieernter (PVEH), der die Robustheit von CFK in Verbindung mit einem piezoelektrischen Verbundwerkstoff nutzt, eine effizientere und dauerhaftere Methode zur Energiegewinnung darstellen könnte.“
Durch das Mischen von Kalium-Natrium-Niobat (KNN)-Nanopartikeln mit Epoxidharz gelang es der Gruppe, das Bauelement mithilfe einer Kombination aus CFK herzustellen und dessen Leistung zu verbessern. Das CFK diente dabei gleichzeitig als Elektrode und verstärkendes Substrat.
Die hohe Leistungsfähigkeit des Bauelements blieb, wie Tests und Simulationen zeigten, auch nach über 100,000 Biegungen erhalten. Es hat seine Fähigkeit unter Beweis gestellt, die erzeugte Energie zu speichern und LED-Beleuchtung zu versorgen . Darüber hinaus übertrifft seine Energiedichte die anderer Polymerverbundwerkstoffe auf KNN-Basis. Das C-PVEH erfüllte die Erwartungen.
Die Implementierung von C-PVEH, dem revolutionären Gerät zur Nutzung von Vibrationsenergie, wird die Weiterentwicklung autonomer IoT-Sensoren vorantreiben und die Schaffung von IoT-Geräten mit geringerem Energieverbrauch ermöglichen.
Narita und seine Kollegen sind begeistert von den erzielten technologischen Fortschritten. Das Team erklärte: „Neben dem gesellschaftlichen Nutzen unseres C-PVEH-Geräts freuen wir uns besonders über unseren Beitrag zum Bereich der Energiegewinnung und Sensortechnik. Die Kombination aus exzellenter Energiedichte und hoher Belastbarkeit kann zukünftige Forschungen an anderen Verbundwerkstoffen für vielfältige Anwendungen vorantreiben.“
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