'Nanogenerators over enkele jaren verkrijgbaar'

Onderzoekers hebben een nieuwe generatie nanogenerators ontworpen om bewegingsenergie in elektriciteit om te zetten. Deze zou binnen enkele jaren commercieel kunnen worden toegepast als energiebron voor kleine elektronica.

De generators werden ontwikkeld aan het Georgia Institute of Technology door onder anderen Zhong Lin Wang. Volgens hem kunnen de nanogenerators de bewegingen van een gebruiker, bijvoorbeeld voetstappen, gebruiken om energie op te wekken voor de aandrijving van kleine apparatuur. Het demonstratiemodel dat Wang en zijn collega's tijdens een bijeenkomst van de American Chemical Society lieten zien, is in staat om een kleine lcd en een ledje van prik te voorzien.

In de toekomst moet het geleverde vermogen van de nanogenerators worden uitgebreid om ook te kunnen worden gebruikt voor apparatuur als mobieltjes of mediaspelers. Vooralsnog leveren vijf opeengestapelde generators ongeveer één micro-Ampère met een spanning van 3V. De stroomsterkte zou verhoogd kunnen worden door nog meer generators te laten samenwerken.

De nanogenerators worden gemaakt van nanodraden van zinkoxide, een piëzo-elektrisch materiaal. Wanneer de nanodraden mechanisch vervormd worden, wekken ze elektriciteit op. Door voldoende nanodraden op een ondergrond van flexibel polymeer ter grootte van een postzegel aan te brengen, wordt een bruikbare hoeveelheid energie opgewerkt. Een condensator verzamelt de lading en geeft deze periodiek af.

Reacties (105)

[doltishDuke]

Veel mensen stellen hier dat apparaten niet zuiniger kunnen worden omdat het buigen meer energie kost. Daar ben ik het niet mee eens zolang je de techniek goed toepast.

Er zijn genoeg toepassingen te bedenken in objecten die nu ook al bewegen om krachten af te voeren, denk bijvoorbeeld aan een schokdemper. Deze zetten energie on in interne kinetische energie, trillingen en warmte. De energie gaat verloren. Met deze technologie kunnen we het weglopen van energie beperken en de energie weer nuttig inzetten.

[Verwijderd]

Maar dat geldt dus alleen voor objecten die er specifek voor gemaakt zijn om energie te dissiperen. Zoals de remmen in een auto bijvoorbeeld. Bij een hybride auto wordt die remkracht via een dynamo teruggewonnen.

Maar bijvoorbeeld de banden van een auto zijn er niet voor gemaakt om energie te dissiperen. Integendeel, ze zijn er voor gemaakt om zo min mogelijk energie te verbruiken. En in zo'n geval kost het wel degelijk meer energie dan het oplevert, wanneer je daar dit soort generatoren in zet.

[tofus]

Maar dat geldt dus alleen voor objecten die er specifek voor gemaakt zijn om energie te dissiperen.

Niet noodzakelijk. Een autoband heeft, abstract bekeken, slechts enkele parameters: rolweerstand, veerkracht, materiaalsterkte, etc.

De combinatie van deze parameters leidt tot een hoeveelheid energie U_x welke nuttig wordt gebruikt voor horizontale voortstuwing, rijcomfort, etc. en U_y wat verloren gaat aan warmte.

Het is denkbaar dat er een combinatie van (nano)materialen bestaat met uiteindelijk exact dezelfde U_x, maar waarbij een gedeelte van de oorspronkelijke U_y gedurende het proces door het materiaal zelf wordt omgezet naar bruikbare (electrische?) energie: U_y2. We houden dan een lagere hoeveelheid rest-warmte over: U_y1, maar tevens de herwonnen energie: U_y2, waarbij dus geldt dat U_y (de oorspronkelijke restwarmte)=U_y1+U_y2, waarmee U_x en U_y dan identiek zouden zijn aan die van een 'reguliere' rubberen autoband.

Of dit specifieke nano-materiaal in een bepaalde combinatie/mix met rubber de juiste U_x, U_y1 en U_y2 kan opleveren, is natuurlijk nog maar de vraag, maar in theorie is er een combinatie van materialen denkbaar. Theoretisch zelfs een oneindig aantal combinaties. Het is simpelweg een kwestie van de juiste zien te vinden in de praktijk.

[edit] Ik besef me net dat er een tweede mogelijkheid is: U_x=U_x2+U_y2 kan natuurlijk ook, waarbij een gedeelte van de oorspronkelijke restwarmte dus actief wordt benut voor voortstuwing en rijcomfort, en daarmee de aandrijving dus minder wordt belast. Zo'n combinatie van materialen zal waarschijnlijk de voorkeur van de autoindustrie hebben, omdat je de energie dan direct 'terugwint' via een lager brandstofverbruik, ipv via een ingewikkeld (minder efficient) electrisch circuit met accu's.

[Reactie gewijzigd door tofus op 23 juli 2024 08:59]

[MSalters]

+2 omdat er formules in staan?!

Banden "leiden" niet tot een hoeveelheid energie. Die kun je dus al niet U_x noemen. Vanaf het begin van de berekening klopt die dus al niet.

Afgezien daarvan is er de (volkomen onbewezen) aanname dat er een optimale band met nanogeneratoren beter is dan een optimale band zonder nanogeneratoren. In dit concrete geval: dat het toevoegen van nanogeneratoren aan een optimale band geen enkel effect heeft op de effectiviteit van die banden.

[tofus]

Over de +2 zal ik niks zeggen, maar wat betreft je overige kritiek:

Banden "leiden" niet tot een hoeveelheid energie. Die kun je dus al niet Ux noemen. Vanaf het begin van de berekening klopt die dus al niet.

Ik heb niet gezegd dat banden tot een hoeveelheid energie leiden. Het abstractie-proces waarin ik de banden omschrijf als een functie van parameters, dat proces leidt ertoe dat je de hoeveelheid nuttig verbruikte energie U_x kunt noemen. Dat is alles. Ik besef dat mijn post niet van academische kwaliteit is, en dat ik mij wellicht iets exacter had kunnen uitdrukken. Maar dat leek me in dit geval overbodig. Volgens mij is mijn verhaal duidelijk genoeg.

Ik heb geen berekeningen gebruikt, slechts gepoogt de probleemstelling abstract te formuleren om zo een beter/objectiever inzicht in de materie te verkrijgen.

Jouw kritiek weerlegt de mogelijkheid van het bestaan van een efficientere combinatie van (nano-)materialen dan ook niet.

Tuurlijk blijft het mogelijk dat er in de praktijk geen enkele combinatie van (nano-)materialen te vinden is die effecienter is in energie-verbuik, en tegelijk equivalent is aan rubber qua rijcomfort. Ik beweer ook nergens dat nano-materialen per definitie beter zullen zijn dan rubber. Maar gezien het feit dat zelfs rubberen banden niet 'optimaal' zijn (er is immers nog altijd sprake van een significante hoeveelheid restwarmte) is het theoretisch dus heel goed mogelijk, en gezien het oneindig aantal mogelijke combinaties van (nano-)materialen wellicht zelfs waarschijnlijk (want anders zou de bandenindustrie 'uitgeevolueerd' zijn), dat er wel zo'n combinatie bestaat.

[Reactie gewijzigd door tofus op 23 juli 2024 08:59]

[Zunflappie]

Energie maken kost energie.

Je bewegingen worden ook zwaarder en kosten dus meer energie.
Ververbranding om beweging (en gelijk warmte) te generen gaat al iets energie verloren (namelijk warmte).
Nu wil je die beweging weer omzetten naar electriciteit. Maar je hebt altijd wat verlies.

Die stroom door beweging kost dus meer energie dan het oplevert.
Beter gelijk een 12v adaptertje op je hart pluggen...

[blaguy]

beweging van stoffen zonder nanogenerators zorgt voor een energieomzetting naar warmte. Als ze het slim aanpakken kunnen ze er vast voor zorgen dat het grootste gedeelte van de energie die de nanogenerators opwekken ten kosten gaat van deze warmte.

[MSalters]

Nee hoor, beweging zorgt helemaal niet voor een omzetting in warmte. Een afname van beweging doet dat wel (wet van behoud van energie; kinetische energie wordt omgezet in thermische).

[Verwijderd]

Op aarde gaat elke beweging gepaard met wrijving, dus in dit geval gaat het wel degelijk om die beweging van je kleding. Tegen de tijd dat we allemaal vrolijk rondlopen in vacuüm is er vast wel iets nieuws uitgevonden

[Devin19]

Als ze er hier nou een hoop van maken en in Japan neerzetten, levert de volgende aardbeving tenminste stroom op.

[Tormbo]

Eigenlijk vind ik hem lomp, maar ik kon een grinnik niet onderdrukken

Hmm, nu nog een buigbare telefoon

Serieus, erg interessant, dit opent weer een hoop nieuwe mogelijkheden. Stel je voor, autobanden met nanogeneratoren die de auto vervolgens weer kunnen aandrijven

/Droom mode uit.

[Singular1ty]

Je stelt een perpetuum mobile voor, waarin de energie die je in een voorwaartse beweging investeert onmiddellijk wordt teruggewonnen. In praktijk zal in jouw scenario de extra wrijving die de nanogenerators in de autobanden veroorzaken juist disproportioneel meer energie kosten dan opleveren.

Deze techniek is vooral nuttig bij gebruik op plekken waar die extra wrijving geen verschil maakt en waar constant beweging is, zoals op het menselijk lichaam. De generatoren moeten energie benutten die normaal verloren gaat, zoals die in een wapperend stuk kleding van een hardloper. Een efficiënt met nanogeneratoren uitgerust T-shirt zou dan genoeg energie kunnen opwekken om de iPod van diezelfde hardloper van prik te voorzien. In theorie. Over een paar jaar weten we meer

[Wolfos]

Ja, niet alle energie zou gebruikt kunnen worden, maar het zou wel extreem veel zuiniger kunnen zijn.

[Verwijderd]

Waarschijnlijk niet. Het energie verlies bij het aantal omzettingen waar we het dan over hebben is zo groot dat eventuele winst (in een ideale situatie) die te behalen is daardoor teniet gedaan wordt.

[Singular1ty]

Dat is wat ik zeg. In de voorbeeldsituatie van een auto word ook zoveel mogelijk energie omgezet in een roterende beweging van de wielen, en is er niet zo gek veel restenergie die bij de overbrenging van wielen op asfalt terug te winnen valt. In het geval van een menselijk lichaam is bij een lopende of rennende beweging echter op veel plaatsen energie te winnen zonder dat de persoon in kwestie hier hinder van ondervind.

[daanieo]

De extra weerstand hoeft niet per se. Nu zorgen autobanden ook voor wrijving, als hiermee stroom wordt opgewekt heb je geen extra wrijving. Wel ben ik het er mee eens dat er geen perpetuum mobile kan worden gerealiseerd, want er blijft altijd wrijving bestaan (bv in de vorm van luchtweerstand).

[Verwijderd]

De extra weerstand moet wél perse. Simpele kwestie van behoud van energie. De wrijving van autobanden blijft bestaan, en daarbovenop krijg je dan de extra energie die je in de nanogenerators pompt... Hetgeen je dus als extra wrijving ervaart.

Hetzelfde als een dynamo op een fiets. Ongeacht hoe goed je dat ding maakt, op het moment dat het stroom levert, moet dat gewoon door de fietser gelevert worden. En die ervaart dat als extra weerstand.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 23 juli 2024 08:59]

[DLeijen]

Tenzij je de warmte-energie kunt omzetten. Dan zou je de wrijving misschien constant kunnen houden.

[OddesE]

Je voorbeeld met het wapperende shirt is eigenlijk wel van dezelfde aard. Het wapperen van het shirt is immers ook gewoon wrijving.

Maar de hele focus moet denk ik niet per sé liggen op gratis energie of grote hoeveelheden energie maar op datgene waar deze technologie punten kan scoren: Mobiel energie opwekken zonder fossiele brandstoffen.

[Verwijderd]

Maar nanogeneratoren kunnen wel degelijk helpen, in plaats van wrijving toevoegen waarom niet vervangen? Rubber in een band buig altijd een beetje, waarom die energie uit die buiging niet opvangen met nanogeneratoren ipv het rubber. Idem voor springveren, remmen etc...

[alaintje]

Zooo.
Ik zie ineens een Xbox 360 controller die niet meer op raakt, of nouja, nauwelijks.
Dat extra beetje moeite om die A, B, Y, X knop in te duwen wil ik er wel voor over hebben om 2 x zo lang van mijn batterij te genieten !
Lijkt me daar goed in verwerkt te kunnen worden. of zou het dan heeel moeielijk drukken worden ?

[Verwijderd]

Niet vergeten dat deze slechts 1 micro A leveren he. Ik denk dat er nog een lange weg te gaan is voordat we aan bruikbare stroom geraken. Zelfs om een simpel bruikbaar motortje heeft toch al rap 0.1-0.2 A nodig om iets te doen

[fonsoy]

Een telefoon wordt meestal opgeladen op een USB poort, die zijn 5V. De laadstroom is meestal rond de 700 mA. Je hebt dus ruwweg (5/3) * (700 000 / 1) van deze nanogeneratoren nodig. Al helemaal omdat dit waarschijnlijk het optimale scenario is. Ze moeten dus stukken efficiënter worden, en voornamelijk kleiner! Ik denk persoonlijk dat de techniek in accu's of brandstofcellen sneller gaat dan deze nanogeneratoren.

[ScorcH]

kleiner met het zelfde vermogen of efficiënter met het zelfde oppervlak is in dit geval redelijk gelijk aan elkaar toch?
En, correct me if i'm wrong, maar die dingen moeten toch gebogen worden voordat ze energie leveren? Ik buig mijn telefoon (bijna ) nooit en bij gebrek aan knoppen zou je ze daar ook al niet onder kunnen stoppen. Bovendien kan ik me voor de mensen met slider phones voorstellen dat systemen, op basis van krachtuitoefening op veertjes of weet ik veel wat, meer oplevert...
Op het gebied van accu's en brandstofzellen ben ik het zeker met je eens.. Lekker een waterstofleiding aanschaffen bij iedereen thuis en een cardridgein een paar seconden vullen ofzo

[Seyed]

offtopic Ik vind het eerlijk gezegd niet zo grappig, als mede mens denkende.

Het idee van de auto banden lijk me wel een hele mooie toepassing op grote schaal wel is de vraag hoe veel het kost om deze generatoren in de autobanden in te bouwen.
Maar eerder zou ik denken aan de schokdempers in een auto daar rust best veel kinetische energie op en dat zou heel mooi om te zetten zijn voor een elektrische auto plus dat je schok dempers niet elk jaar vervangt.

[OddesE]

Die schokdemper is inderdaad een veel betere. Dat is namelijk typisch een plek die toch altijd al energie absorbeert. Dit terugwinnen gaat dus niet ten koste van het rendement. Echter denk ik dat nano-generatoren daar niet op zijn plaats zijn maar eerder grotere constructies. Een simpele magneet in een spoel kan al stroompjes opwekken hier, de vraag is waar laat je die energie?

[bauke1994]

als je met een gangetje over een hobbel heenrijdt leveren je schokdempers toch behoorlijk wat weerstand als je die weerstand omzet in energie kan je daar zo je accu mee opladen.
volgens mij gebruikt volvo de remmen als oplader van de accu ook.
en wat dacht je van de weerstanden in je hometrainer ik heb wel eens gehoord dat je de airco in een sportschool op de homtrainers kan laten draaien.

zo zie je dat we erg veel energie verspillen en dit toch weer een stapje bij een energie zuinigere wereld komt.

[Dr.SVM]

Inderdaad

[Verwijderd]

[maceddy2004]

Telefoon leeg maar je moet bellen, dan moet je het ding even schudden een paar minuten?

Zie ik dat goed?

[YopY]

Eerder buigen, als ik het zo zie. De draden in dat plaatje worden verbogen / uitgerekt waardoor ze stroom genereren.

Maar aangezien buigbare (oled) schermen mogelijk zijn, kan het maar zo zijn dat je de achterkant van zo'n scherm kunt beplakken en het geheel even kunt flapperen om weer stroom op te wekken.

[bogy]

shake it like a polaroid picture ..... en dan bellen maar...

lijkt me wel tof

[skullsplitter]

eerder dat je een stuk kunt wandelen en daarmee al stroom kunt opwekken. Dat telefoontje raakt dus stiekem niet echt leeg meer.

[Pathogen]

Dit bestaat toch al jaren in de vorm van bijvoorbeeld Kinetic horloges? Is van deze nieuwe techniek dan de opbrengst zoveel groter? Dat wordt mij niet duidelijk...

[YopY]

Dit is een andere technologie. Kinetische horloges maken gebruik van een ronddraaiend asymmetrisch gewicht die een set aan tandwielen in beweging brengen die op hun beurt een heel kleine generator (magneet in een spoel) aandrijven. Dat werkt alleen bij een bepaald soort beweging, zoals het zwaaien van je arm. Dit ding is mechanisch veel eenvoudiger (geen tandwielen, ronddraaiende / bewegende delen), en werkt door het plaatje simpelweg te buigen (het piëzo-electrisch effect).

[OddesE]

Ja ok simpelweg buigen... toch zie ik niet in hoe je er bijvoorbeeld een horloge mee zou moeten aandrijven... want wat buigt er dan regelmatig? Je arm zwaait de hele dag.

Deze generatoren moeten in een soort knie padding in je broek (en elleboog padding in je trui), daar zal het het best werken denk ik.

Ik vind het er allemaal zo nano niet uitzien op het plaatje trouwens, maar dat zal wel aan mij liggen. Als je iets van nano-tech wilt laten zien kun je denk ik beter een plaatje van een vierkante millimeter of zo gebruiken dan een postzegel formaat dingetje. Dat inspireert toch meer denk ik.

[Tormbo]

Volgens mij werken de Seiko Kinetic horloges volgens een vliegwiel principe. Door de beweging van je pols komt een (verzwaard) vliegwiel in beweging, welke vervolgens een dynamo aandrijft. Puur mechanisch dus, dit nanogenerator principe werkt op een geheel ander vlak.

[Pathogen]

Thanks beiden

[Blord]

Deze generatoren op een buigzame plaat zetten en in zee leggen. Door de golven zijn er altijd bewegingen in het water en de generatoren leveren 24uur per dag stroom op.
Als deze platen nou bij de windmolens op zee liggen dan is infrastructuur van de electriciteitstransport ook aanwezig.

Vang je 2 vliegen in 1 klap. Misschien 3 vliegen als ook zonnepanelen meedoen.

[MSalters]

Waarom zou je daar een nanogenerator nodig hebben? Wave energy systems bestaan al langer, en leveren miljarden keren meer vermogen dan dit kleine ding.

[psychodude]

Als je 2 vliegen in 1 klap wilt slaan zou ik zeggen leg je trottoirs er vol mee. Mensen bewegen daar ook vrij veel overheen, plus de extra frictie welk veroorzaakt wordt zorgt er weer voor dat we meer energie dienen te leveren om ons voort te bewegen waardoor we meer caloriën verbranden en zo dus niet alleen groene stroom opwekken, maar tevens de obesitas stapje bij stapje te lijf gaan .

Even zonder gekheid, is het natuurlijk best interessant dat dit soort dingen allemaal in nano vorm ontwikkeld worden, maar daadwerkelijk de energie opwekken om het grootverbruik wat wij allen aan doen te kunnen compenseren moeten we ook groot denken. Nanogeneratoren zullen daarbij te weinig echte impact hebben.

Waar het wel interessant voor zal zijn is gewoon het gadget gehalte van kleine apparaten, en gebruiksgemak hierbij. Maar dan moeten we ons natuurlijk wel weer afvragen, wat doet dit vervolgens? Des te gemakkelijker elektrische apparaten worden, des te meer mensen ze gaan gebruiken. Ook al zouden nanogeneratoren 50% van de stroom kunnen voorzien van een device, maar het aantal gebruikers vertienvoudigd omdat het zo gemakkelijk wordt, dan trek je uiteindelijk toch nog 5 keer zoveel stroom uit het lichtnet.

[Handgas]

Het buigen van deze dingetjes kost ook energie natuurlijk. Stel dat je ze op een autoband plakt, dan moet dat extra weerstand geven.

[Verwijderd]

Niet per se. Banden buigen ook zonder de generatoren. Het is mischien mogelijk delen van de band op zo'n manier te vervangen door generatoren dat het geen extra energie kost.

[Verwijderd]

Nee, dat is niet mogelijk. Banden worden nu al gemaakt om zo min mogelijk rolweerstand te hebben. Dat betekent dus dat ze gemaakt worden om zo min mogelijk energie te dissiperen bij een buiging.
Als je heel erg veel geluk hebt, dan levert het materiaal van je generator geen extra buig weerstand op... Maar zo gauw die generator ook daadwerkelijk energie genereert, dan kost dat extra energie, die door de aandrijving van de auto geleverd moet worden. Het kost dus altijd extra energie.

[joker1977]

Banden worden niet gemaakt om zo min mogelijk rolweerstand te hebben. Het gaat om een combinatie van grip, slijtvastheid, rijcomfort e.d.

Het is best mogelijk dat een deel van de band wat door plastische vervorming voor meer rijcomfort zorgt kan worden ingezet voor electriciteits-opwekking.

Al denk ik dat het beter ingezet kan worden in andere toepassingen. Iets waar de zeer kleine hoeveelheid energie nuttig ingezet kan worden.

[marcop23]

Dan kan je toch ook een fiets'dynamo' maken die geen extra weerstand geeft bij het trappen? Zullen deze nanogenerators ook meer stroom op kunnen wekken, waardoor je een MicroUSB poort in je fiets kan maken om een mobiel / camera / mp3 speler / whatever mee op te laden?

[OddesE]

Elke dynamo zal extra weerstand opleveren. Immers dat is de energie die wordt opgewekt.

Mocht je toch een dynamo weten te maken die geen extra weerstand oplevert dan heb je een zgn perpetuum mobile uitgevonden.

[Verwijderd]

Het zou wel heel tof zijn als dit in combinatie met die licht- opneembare touchscreens straks zorgt dat we onze mobieltjes (bijna) helemaal niet meer op hoeven te laden

[doltishDuke]

Daar gaan we wel naartoe denk ik. Zeker in combinatie met stroom uit bijvoorbeeld WiFi en zonnecellen in het scherm.

[elchorro]

Maar al wekt het niet genoeg stroom om te zorgen dat een device helemaal zonder opladen oid kan dan heb je toch al een hele vooruitgang op batterijduur. dan is het grote nadeel van smartphones ook gelijk opgelost: de batterijduur.

en al moet je er meer (human) energie in steken dan heeft het toch nog altijd zin, want als je ipod bijna leeg is, en als je dan kan schudden zodat je batterij weer vol is dan denk je echt niet van: laat ik het niet doen want dit kost me meer energie dan dat het oplevert

[doltishDuke]

Klopt, maar als je de technologie combineert met in LCD's verwerkte zonneschermen, elektriciteit uit WiFi signalen en warmte-energie moeten we toch een heel eind komen denk ik zo