I dnes, v době mobilních telefonů a elektromobilů, velká část energie mizí bez využití. Představte si desítky procent energie, které se ztratí třeba jen při přejezdu Prahy vaším autem. Víte, co dělá většina tlumičů a systémů odpružení s kinetickou energií, kterou pohltí? Přemění ji na teplo a vyhodí do vzduchu. Vy ji platíte, ale nepoužíváte.
Italští vědci ale přišli na to, jak tuto ztracenou mechanickou energii nejen zachytit, ale přeměnit ji na použitelnou elektřinu. Jejich trik je v detailu, který byste v autě nečekali: ve vodě a nanotechnologiích. A to je důvod, proč byste měli číst dál – tato technologie má potenciál změnit způsob, jakým napájíme vše od elektromobilů po malou elektroniku.
Zapomeňte na statickou elektřinu z dětství
Když se řekne statická elektřina, vybaví se vám tření balonku o svetr nebo jiskra při dotyku kliky. To je tzv. triboelektrický efekt. Přestože je tento jev znám už 2600 let (Thalés z Milétu ho objevil při tření jantaru), jeho mikroskopické mechanismy zůstávají dodnes hádankou.
Tým pod vedením Dr. Simone Meloniho z Ferrarské univerzity v Itálii tento „starověký“ jev přenesl do 21. století. Nevyužívají přitom svetry ani balony, ale řízený pohyb vody v nanoporézním materiálu.
Jak funguje „vodní“ generátor TENG?
Vědci vytvořili zařízení zvané Intrusion–Extrusion Triboelectric Nanogenerator (TENG). Jde o malý generátor, který využívá tlak vody k vytváření střídavého proudu (AC) tím, že opakovaně tlačí vodu dovnitř nanoportů (intruze) a ven (extruze). Funguje to, jako byste neustále prali dvě ultra-jemné vrstvy materiálu:
- Klíčový materiál: Porézní křemík potažený tenkou vrstvou oxidu křemičitého (silica).
- Speciální úprava: Vrstva je hydrofobní – odpuzuje vodu. Tato vlastnost zajišťuje, že se voda při každé extruzi vytlačí ven, čímž generování náboje udržuje v neustálém cyklu.
- Princip: Tlakem (např. z pohybu auta) vháníte vodu dovnitř. Třením o obrovskou vnitřní plochu pórů vzniká elektrický náboj.
Kousek dál, pouhé nanometry od triboelektrického materiálu, je umístěna vodivá elektroda, která zachycený náboj převádí na střídavý proud vhodný pro elektroniku.
Důležité zjištění, které jsem zaznamenal při studiu jejich práce, je toto: Účinnost neřídí velikost, ale plocha.
Meloni se vyjádřil, že „některé materiály mají větší vnitřní plochu než fotbalové hřiště, ale přitom se vejdou do pouhého gramu prášku.“ Tato obrovská vnitřní plocha pak zajišťuje masivnější výměnu náboje při cyklech intruze a extruze.
Proč jsou „nedokonalosti“ klíčové pro energii
Vědci objevili jeden překvapivý faktor, který výkon TENG zvyšuje: defekty v křemičité vrstvě. Zatímco byste čekali, že chyby v materiálu snižují výkon, zde fungují jako hnací motor.
Při zatlačení vody do pórů se molekuly „připojené“ k povrchu odtrhnou, a při jejím vytlačení se zase připojí zpět. Tento cyklus pohání generování náboje. Funguje to jako kyvadlo, které neustále generuje energii.
Ale je tu háček: je nutné najít rovnováhu. Více defektů sice zvyšuje nabíjení, ale příliš mnoho jich zničí hydrofobnost materiálu. A bez odpuzování vody systém přestává správně fungovat.
Praktické využití: Konec nabíjení v elektromobilech?
Co to znamená pro nás? Tato technologie nepotřebuje silné nárazy, stačí jí opakovaný, plynulý pohyb. A ten se najde všude.
Jednou z nejpřednějších aplikací, na které se nyní pracuje, jsou regenerativní tlumiče pro elektromobily. Téměř každý automobil, který jezdí třeba po rozbitých silnicích v okolí Ostravy nebo Plzně, ztrácí 5 až 10 % energie jen odpružením.
Náš tip: Pokud se TENG zabuduje do tlumičů, mohla by každá nerovnost na silnici, každé brzdění nebo zatáčení, přispět k dobíjení baterie vozu. To by snížilo spotřebu energie z baterie a prodloužilo dojezd.
Kromě aut dává tato technologie skvělé možnosti pro:
- Nositelné elektroniky: Chytré hodinky nebo zdravotní senzory. I jemný pohyb zápěstí by fungoval jako neustálý zdroj energie.
- Nízkoenergetická zařízení: Senzory sítě IoT v českých domácnostech, které by se samy napájely vibracemi podlahy nebo zvuky.
Na rozdíl od solárních panelů nebo klasických baterií by tato zařízení nebylo potřeba nabíjet. Fungovala by z pohybu, který je zdánlivě nekonečný.
I když Meloniho tým považuje současné nastavení za „částečně optimalizované“ a nejtěžší část, tedy ověření principu, je za námi, je jasné jedno: Kinetická energie, kterou jsme dříve přehlíželi, se stává novým horkým zdrojem. Co myslíte, dokáže tato technologie jednou nahradit tradiční baterie v menších zařízeních, nebo zůstane jen doplňkovým zdrojem pro elektromobily?