Часник має яскравий, гострий смак, який миттєво пробуджує рецептори. Але хто міг би подумати, що він також здатний генерувати високу напругу? Принаймні, на це здатне часникове лушпиння.
У ході недавнього дослідження вчені з Індії використовували часникове лушпиння та пластик для створення інноваційного автономного датчика та продемонстрували можливість його застосування в системі домашньої безпеки, що працює в режимі реального часу. Один шар часникового лушпиння, поміщений між листами поліетилену, виявився надійним джерелом енергії, яке зберегло свої властивості навіть після шести місяців зберігання.
Результати дослідження, опубліковані 20 серпня у журналі IEEE Sensors Letters, показують, як можна використовувати органічні відходи для створення простих та недорогих технологічних рішень.
Цей датчик є різновидом трибоелектричного наногенератора, що складається з двох шарів різних матеріалів: один з них заряджається позитивно, а інший - негативно. Під час руху або тиску поверхні багаторазово стикаються і роз'єднуються, створюючи змінний струм, який можна накопичувати або використовувати безпосередньо як сигнал датчика.
"Це простий і дешевий спосіб перетворення звичайних механічних рухів - кроків, вібрацій або відчинення дверей - в корисну електричну енергію", - пояснює Діпак Бхарті, доцент кафедри електроніки та комунікаційних технологій Національного технологічного інституту Малавія (Джайпур, Індія), який проводив дослідження спільно з Манісом разом з Манісом.
Чому як джерело напруги було обрано часникове лушпиння?
Раніше Бхарті та Тіварі вже вивчали можливість використання інших органічних відходів для живлення технічних пристроїв, наприклад, лушпиння арахісу та сухих волокнистих залишків цукрової тростини. У своїй останній роботі вони зосередилися на часниковому лушпинні з низки причин.
"Часникове лушпиння — це сільськогосподарський та побутовий органічний відхід, який утворюється у величезних кількостях, але практично не знаходить повторного застосування: зазвичай його просто викидають", — пояснює Бхарті. "Нам було цікаво дізнатися, чи зможе такий матеріал — легкий, біорозкладний і широко доступний — скласти конкуренцію синтетичним полімерам як трибоелектричний шар."
Він додає, що часникове лушпиння має природну текстуровану шарувату поверхню, яка, на думку дослідників, сприятливо позначається на процесі контактної електризації. У ході дослідження вчені подрібнили часникове лушпиння, що має позитивний заряд, і нанесли його шаром на лист поліетилену, що має негативний заряд.
Комбінація з одного шару часникового лушпиння та пластику забезпечувала напругу холостого ходу близько 210 вольтів і дуже низький струм короткого замикання (порядку 45 мікроампер) при щільності потужності 2,16 вата на квадратний метр. Коли дослідники додали ще один шар часникового лушпиння з іншого боку поліетиленового листа, вихідні показники зросли приблизно вдвічі — до 400 В та 65 мкА. Поєднання високої напруги та низької сили струму характерне для даного класу наногенераторів, що робить їх придатними для використання в малопотужних сенсорних пристроях та системах збирання енергії.
Бхарті зазначає, що його здивувало не лише те, як додавання другого шару часникового лушпиння майже подвоїло вихідну потужність, а й довговічність цього матеріалу як джерела енергії: він зберіг свої робочі характеристики після шести місяців зберігання та 200 циклів механічного впливу.
"Той факт, що пристрій демонстрував практично ті ж показники після шести місяців зберігання у звичайних умовах, став переконливим доказом того, що подібний 'відхідний' матеріал може служити практичним компонентом для датчиків, а не просто залишатися лабораторною дивиною", - говорить він.
Демонстрація роботи системи домашньої безпеки
Потім дослідники інтегрували розроблений ними датчик на основі часникового лушпиння в систему домашньої безпеки, розмістивши його між верхнім краєм дверей і дверною коробкою. При відкритті дверей шари часникового лушпиння та пластику роз'єднуються, викликаючи стрибок напруги, який передається на мікроконтролер та Bluetooth-модуль. (Хоча сам датчик із часникового лушпиння не вимагає зовнішнього джерела живлення, мікроконтролер в даному експерименті живиться від портативного акумулятора.)
Bluetooth-модуль передає сигнал бездротового зв'язку на смартфон, на якому встановлено спеціально створений дослідниками додаток для Android. Програма формує голосове сповіщення в режимі реального часу, що повідомляє власника про те, що двері були відчинені.
У ході 50 випробувань система з датчиком розпізнавала відкриття дверей з точністю 92%.
Бхарті зазначає, що надалі має намір вивчити цікаве явище, виявлене в ході цих експериментів: хоча використання двох шарів (часткового лушпиння та поліетилену) подвоювало вихідний електричний сигнал, додавання більш як двоє шарів не призводило до істотного збільшення вироблення енергії. Бхарті планує детальніше досліджувати цей феномен, а також вивчити інші види біологічних відходів, які можуть знайти застосування як трибоелектричні матеріали.
