Scientists Have Created a Super-Thin Fabric That Harvests Energy From Our Movements [EN][TR]

A twisted fibre made of gel-coated carbon nanotubes could be the very thing we need to steal energy from our surroundings that would otherwise go to waste.

Threads of a material dubbed "twistron" have already shown incredible promise in the laboratory, but could one day be built into power harvesters that collect the energy equivalent of spare change from our bodies, furniture, or wider environment.

"The easiest way to think of twistron harvesters is, you have a piece of yarn, you stretch it, and out comes electricity," says Carter Haines from The University of Texas at Dallas, whose international team of researchers developed the technology.

The concept of salvaging tiny amounts of energy from ambient heat, radio waves, or movement to power our pocket-sized electronic devices is by no means novel.

It's little wonder why we're obsessed with the idea – our world buzzes with low level electromagnetic waves, friction, and temperature gradients that can be tapped into and used to shuffle around a few electrons.

But for all of their variety, the hunt is still on to make a material that can harvest that energy, and is as robust, cheap, versatile, and efficient as possible.

The twistron might not be the final answer, but it's certainly showing promise.

The mechanism responsible for the fibre's generation of electricity is surprisingly simple. A mesh of carbon atoms rolled into tubes 10,000 times thinner than the width of a human hair makes up the fundamental fibres of the complete filament.

Bundles of these long carbon nanotubes are woven together and twisted, making them elastic. Imagine over-winding a piece of string, which can then be stretched and relaxed as the twists pull back on themselves.

When coated in an electrolyte solution – something as simple as salt water, for example – the changing shape of the fibre moves the carbon-nanotubes around, rearranging charges to generate a voltage.

"Fundamentally, these yarns are supercapacitors," says researcher Na Li.

"In a normal capacitor, you use energy – like from a battery – to add charges to the capacitor. But in our case, when you insert the carbon nanotube yarn into an electrolyte bath, the yarns are charged by the electrolyte itself. No external battery, or voltage, is needed."

The charge generated by stretching the thread is impressive considering it's basically a length of carbon string.

If you can get a kilogram (about 2.2 pounds) of the stuff to buzz at a rate of 30 times a second you'll be sparking a generous 250 watts of electricity. More than enough to run a desktop computer and perhaps a small heater.

Of course there are plenty of more efficient ways to generate this kind of charge, but tethering the material to something already moving, such as clothing, could provide easy access to energy in places where batteries or solar power aren't convenient.

"There is a lot of interest in using waste energy to power the Internet of Things, such as arrays of distributed sensors," says Li.

As a proof of concept, the researchers sewed twistron into a shirt, and found normal breathing was enough to produce a charge.

Cranking it up a notch, they attached a thin, 10-centimetre (4-inch) long thread to a balloon and a sinker, and measured its change in voltage as it experienced the rise and fall of waves at a rate of about one every second.

The output was 1.79 microwatts of electricity; not bad for barely a milligram of fibre dangling from a balloon.

"If our twistron harvesters could be made less expensively, they might ultimately be able to harvest the enormous amount of energy available from ocean waves," says researcher Ray Baughman.

Even in small amounts, the carbon nanotube harvesters could conceivably pull sufficient power for free-floating ocean probes to beam communications back to reporting stations.

Right now production isn't simple or cheap, meaning the technology still has some way to go before it ticks all the boxes.

But carbon nanotube technology is showing wide promise in many different fields, so who knows? Maybe one day in the not-too-distant future you'll be charging up your smart phone by busting out some lush moves in your shiny new twistron suit.

---

Çevremizi saran, diğer türlü boşa gidecek enerjiden birazcık çalmak için ihtiyaç duyduğumuz şey, bu jel kaplı, karbon nanotüplerden yapılmış sarmal lifler olabilir.

Twistron denen bu materyalin iplikleri laboratuvar ortamında şimdiden gelecek vadediyor ve bir gün vücudumuzdaki, eşyalarda veya daha geniş çevredeki değişimin payı kadar enerji toplayabilecek bir “enerji toplayıcısına” dönüştürülebilir.

Texas Üniversitesi’nden bu teknolojiyi geliştiren uluslararası ekibin başındaki araştırmacı Carter Haines, twistron enerji hasatçılarını kavramanın en basit yolunun, elinde çekiştirdiğinde elektrik üreten bir parça kumaş olduğunu düşünmek diyor.

Ortamdaki ısıdan, radyo dalgalarından veya hareketten gelen küçücük miktarlardaki enerjinin biriktirilip cep boyu elektronik aletlere güç sağlamak çok da yeni bir kavram değil.

Peki acaba neden bu fikre, bu kadar takılmış durumdayız? Sonuçta, dünyamız düşük seviyede elektromanyetik dalgalar, sürtünme ve ısı gradyanlarıyla uğuldayıp duruyor ve bunlar da enerji eldesi için birkaç elektron etrafında dolanmak üzere toplanabilir. İşte tüm bu çeşitliliğe karşı, enerjiyi toplayan bir materyal yapıp, bu materyali de mümkün olduğunca net, ucuz, çok yönlü ve etkili yapmak için yarış devam ediyor.

Twistron son cevap olmayabilir, ama kesinlikle gelecek vadediyor.

Liflerden elektrik eldesindeki sorumlu mekanizma şaşırtıcı derecede basit. İç içe geçmiş karbon atomlarının 10.000 kere tüplere dolanmasından ibaret, ince bir iplik oluşturan liflerin kalınlığı da insan saçından bile ince.

Bu uzun karbon nanotüpü demetleri birlikte eğriliyor ve döndürülüp elastikleştiriliyor. Bir parça ipi esnettikten sonra, tekrar gerilip gevşeyerek eski haline dönüştüğünü düşünün. Bu yapı tuzlu su kadar basit bir elektrolit solüsyonu ile kaplandığında, lifin şeklinin değişmesi, karbon nanotüpleri yerinden oynatıp yeniden şekillendirdiğinde bir voltaj yaratacak şekilde yüklenmekte.

Araştırmacı Na Li, derinlemesine bakıldığında bu kumaşlar aslında süperkapasitörler, diyor. Normal bir kapasitörü yüklemek için akü gibi bir enerji kullanılır, ama bu durumda, karbon nanotüp kumaş elektrolit solüsyonu ile yıkandığında, dokumalar elektrolitle kendileri yüklenmekteler; yani dışardan akü veya voltaj gerekmiyor diye ekliyor.

Basit bir karbon iplik olduğunu düşünürsek çekiştirildiğinde ortaya çıkan yüklenme şaşırtıcı. Bu ürünün 1 kilogramı ile saniyenin 30 katı kadar titreştiğinde 250 watt elektrik elde ediliyor. Bu miktar masaüstü bilgisayarı veya küçük bir ısıtıcıyı çalıştırmak için fazla bile.

Böyle bir yüklenmeyi sağlayacak daha etkin pek çok yöntem var tabii ki; ama bu materyalin, giydiğimiz kıyafet gibi zaten hareket etmekte olan bir şeye eklendiğini düşünürsek, akü veya güneş enerjisinin kullanılamayacağı yerlerde çok daha kolayca enerji sağlayacaktır. Nesnelerin internetine enerji sağlamak için, dağıtılmış sensörlerin ışınları gibi boşa giden enerjiyi kullanmaya büyük bir ilgi var, diye ekliyor Li.

Bu kavramın bir kanıtı olarak, araştırmacılar twistron kumaşı bir gömleğe eklediklerinde, normal nefes almanın bile bir yüklenme yaratmaya yeterli olduğunu bulmuşlar. Biraz daha ileri gidip; ince, 10 cm uzunluğunda bir ipliği bir şamandıraya bağlayıp, onun dalgalarla inip çıkarak yüklenmesinin saniyelik olarak oranını ölçümlemişler. Çıkan 1,79 mikrowatt’lık elektrik, sadece şamandıraya bağlı bir ip olduğunu düşündüğümüzde hiç de fena bir sonuç sayılmaz.

Araştırmacı Ray Baughman; twistronlarımız daha ucuza yapılabilirse, okyanus dalgalarından çok büyük miktarlarda enerji elde etmeye yarayacaklardır, diyor. Düşük miktarlarda yerleştirildiğinde bile, karbon nanotüp enerji toplayıcıları okyanusta serbest salınımdayken de raporlama istasyonlarıyla iletişim kurabilecek kadar enerji üretebiliyor.

Bu noktada bu teknolojinin üretimi ucuz veya basit değil ve daha alınacak yolu var. Ancak karbon nanotüp teknolojisi çok farklı alanlarda umut vadediyor. Yani kim bilir, belki yakın gelecekte bir gün akıllı telefonunuzu yeni, havalı twistron takımınızla yapabileceğiniz birkaç hareketle şarj ediyor olabilirsiniz.