Deze laarzen zijn gemaakt om stroom op te wekken

James Wimshurst was een 19e-eeuwse ingenieur en uitvinder die een fascinerende machine bedacht om hoge spanningen op te wekken. De machine die nu zijn naam draagt, bestaat uit twee tegengesteld draaiende schijven voorzien van metalen plaatjes.

De schijven zijn in contact met twee metalen borstels die zijn verbonden met een paar metalen bollen, gescheiden door een kleine opening. De borstels nemen lading op van de schijven, die zich op de bollen voortbouwen, zodat uiteindelijk een vonk over de opening ertussen springt. Het mechanisme dat de bollen oplaadt, is elektrische inductie, die elke kleine lading op de metalen plekken versterkt.

In de 19e en het begin van de 20e eeuw gebruikten natuurkundigen en ingenieurs Wimshurst-machines en soortgelijke apparaten om röntgenmachines en zelfs deeltjesversnellers aan te drijven. Maar tegenwoordig zijn deze machines zeldzaam en worden ze alleen in wetenschapsmusea en klaslokalen gebruikt om de principes van elektrostatica te demonstreren.

Vandaag zou dat kunnen veranderen dankzij het werk van Maria Napoli en collega's van de Universiteit van Californië, Santa Barbara, die de Wimshurst-machine voor de 21e eeuw opnieuw hebben uitgevonden. Deze mensen hebben een microfluïdische versie gemaakt die energie uit de omgeving kan halen en omzetten in bruikbare energie.

In het nieuwe apparaat stromen kwikdruppels in olie door een kanaal dat is uitgehouwen in een vel PDMS (polydimethylsiloxaan) plastic. Het kanaal voert de kwikdruppels in tegengestelde richting langs elkaar, net als de tegengesteld draaiende schijven in een conventionele Wimshurst-machine.

Elektroden ingebed in het microfluïdische kanaal voeren de lading weg terwijl deze zich opbouwt. Maar in plaats van vonken te creëren, kan deze lading als stroom worden gebruikt. Napoli en co berekenen dat een circuit op centimeterschaal met kanalen van slechts 300 micrometer breed, met kwikdruppels die met een snelheid van 10 millimeter per seconde stromen, ongeveer 12 microwatt aan vermogen zou kunnen genereren.

Het team heeft een proof-of-principle-apparaat gebouwd om het idee te testen. De microfluïdische Wimshurst-machine bestaat uit een hoofdkanaal van slechts vijf centimeter lang, dat een paar kubieke millimeter kwik bevat. Het genereert een kleine fractie van het theoretische maximale vermogen - slechts vier nanowatt.

Maar dit deert het team niet. Microfluidics maken een reeks verbeteringen mogelijk die niet mogelijk zijn met solid-state apparaten, zoals het wijzigen van de breedte en scheiding van de kanalen en het beter regelen van de druppelgrootte en -verdeling.

Berekeningen geven aan dat eenvoudige verbeteringen aan de geometrie in staat moeten zijn om het uitgangsvermogen van een enkelkanaals apparaat met maximaal drie ordes van grootte te verhogen, zeggen ze.

Bovendien kunnen meerdere kanalen eenvoudig in serie of parallel worden geschakeld om nog meer vermogen te genereren. En een groot voordeel van dit soort microfluïdische apparaten ten opzichte van andere energieoogsters is dat het niet op een resonantiefrequentie hoeft te werken.

Napoli en co bestuderen de potentiële output van dit soort apparaten, aangedreven door een membraanpomp in de hak van een laars. Ervan uitgaande dat een persoon met een snelheid van één stap per seconde kan lopen, zou een pomp met een diameter van twee centimeter voldoende stroom kunnen leveren voor 250 parallelle microfluïdische kanalen, die samen een output van ongeveer 10 milliwatt zouden produceren, zeggen Napoli en co.

Dat is ongeveer genoeg om de laser in een dvd-station van stroom te voorzien, en een veelbelovende hoeveelheid voor verschillende energiezuinige communicatieapparatuur en sensoren die momenteel in ontwikkeling zijn.

Er is dus goede reden om te verwachten dat een opgeschaalde versie van ons prototype-apparaat draagbaar, praktisch en voldoende krachtig zou kunnen zijn voor een verscheidenheid aan toepassingen voor het oogsten van energie, concluderen ze.

Natuurlijk liggen er uitdagingen in het verschiet. Een belangrijke vraag hangt af van de duurzaamheid van zo'n apparaat, gezien het bonzen dat laarzen tijdens hun leven doormaken. Maar dat is een ontwikkelvraag waar het team aan kan werken.

Misschien duurt het niet lang voordat de beste manier om een ​​telefoon op te laden is om een ​​paar pumps aan te trekken en te gaan hardlopen. Wimshurst zou zeker verbaasd zijn.

Referentie: arxiv.org/abs/1803.02454 : Energie oogsten met een vloeibaar-metaal microfluïdische beïnvloedingsmachine

zich verstoppen