Marianne Fairbanks szövettervező évekig napkollektorral töltött kézitáskákat készített. Cégét, a Noon Solar-t a csúcskategóriás, városi divatpiac felé irányították, és csúcspontján az Egyesült Államokban és Kanadában 30 üzletben értékesített. Míg a Noon Solar 2010-ben bezárta az ajtókat, a Fairbanks, aki 2014-ben csatlakozott a Wisconsin-Madison Egyetemhez az emberi ökológia iskolájának asszisztensként, még mindig érdekelte a napkollektor tervezés koncepcióját.
Miután megérkezett a campusba, a Fairbanks felfedezte Trisha Andrew-t, a szerves kémia adjunktusát a Massachusetts-Amherst Egyetemen. Andrew szakterülete az olcsó, könnyű napelemek fejlesztése. Pontosabban, ő készített egy organikus festék alapú napelemet papírra.
A kettő közötti együttműködés ártatlan telefonhívással kezdődött.
- Megkérdeztem Trish-t - mondja Fairbanks -, ha alkalmazhatnánk azt az elképzelését, hogy papíron használt textilre. És így kezdődött a projektünk. ”
"A mai hordható elektronika megteremtésének egyszerű módja a csomagolás" - mondja Andrew. „Fitbit vagy Apple óra - mindegyiknek van PCB-je (nyomtatott áramköri kártyája), amely a kis elektronikus áramkört tartja. Ez lehetővé teszi az eszköz „viselését”, de számomra ez nem igazi hordható elektronika. Ez csak valami, amelyet egy másik anyagba ragasztunk. "
A szolár innováció iránti közös szenvedélyük most arra készteti őket, hogy befejezzék a szoláris textil tervezését. Míg a Fairbanks tervei szerint a kész szövetet végső soron ápolják, Andrew reméli, hogy ezt a szövetet el fogja készíteni, és valójában forgalmazható termékeket gyárt. Andrew szövetpaneleket tervez fűtött autósülésekre, vagy akár kisebb napelemeket is bevarrott egy nagyobb ruhadarabba.
Trisha Andrew, bal oldalon és Marianne Fairbanks, jobb oldalon, szőtt napelemes textil prototípust fejlesztettek ki. (Jeff Miller / UW-Madison fényképe) A napelemek történelmileg üvegből vagy műanyagból készültek - olyan anyagokból, amelyek kemények és meglehetősen könnyen elpusztíthatók. A kutatók először 2001-ben fordultak a textiltermékek felhasználására annak érdekében, hogy rugalmas, légáteresztő és rugalmas napelemet hozzanak létre. Azóta a szolár szöveteket beépítették a stadion burkolatokba, a carportokba és még a hordható művekbe is, ám Andrew és Fairbanks azt állítják, hogy szövetük jobb, mint a többi csoport lélegzőképessége, ereje és sűrűsége. Nem csak kitalálták, hogyan lehetne bármilyen típusú szöveten felhasználni a folyamatot, hanem mivel ez a tudós és a tervező közötti együttműködés, képesek kibővíteni a napenergia-textilkövek körét egy kereskedelmi, fogyasztóbarát piacon is.
"A legnagyobb probléma az, hogy a textilipar - mérnöki és kémiai szempontból - hihetetlenül durva" - mondja Andrew. „Háromdimenziós hordozó; nem laposak. ”
Napelemeik egy rétegből állnak, amely négy rétegben különféle polimereket tartalmaz. Az első réteg a poli (3, 4-etilén-dioxi-tiofén) vagy a „PEDOT”, amelyet Andrew és posztdoktori kutatási asszisztense, Lushuai Zhang felfedeztek, hihetetlenül jól működtek a szövet vezetőképességének növelése érdekében. A másik három bevonat különféle félvezető színezékek, például kék színű rézftalocianin, amelyek a sejt fotoaktív rétegeként vagy fényelnyelőjeként működnek. Andrew és Fairbanks ismételt sikereket ért el az első két réteggel, de még mindig dolgozik a harmadik és a negyedik réteg kinézetén.
A szövetek, szemben a sima és fényes üveggel vagy műanyaggal, porózusak, ami bizonyos polimerekkel való egyenletes bevonást megkönnyíti. Ha figyelembe vesszük, hogy miként készül egy darab szövet, akkor több szálból összefonódva szálakból áll. Az egyes szálak eltérő durvaságúak lesznek, amelyek kémiai szempontból több könnyű skálát tartalmaznak (nanométer, mikrométer, stb.).
"Annak érdekében, hogy az elektronikusan vezető polimert ténylegesen ezen a felületen helyezzük, meg kell mozgatnunk ezeket a különböző fénymérlegeket" - mondja Andrew. - És ez nehéz.
Ahhoz, hogy megkerülje ezt a kérdést, Andrew úgy döntött, hogy kipróbálja a kémiai gőzfázisú leválasztást (CVD), ezt a technikát általában szervetlen kísérletekre tartják fenn, amelyek kemény szubsztrátumokat használnak, például fémeket vagy műanyagokat. A tömegtranszport tulajdonságok vagy a tömeg egyik pontból a másikra történő mozgását szabályozó általános fizikai törvények kihasználásával Andrew egyenletesen bevonhatja bármilyen önkényes anyagot, beleértve a szövetet is, mivel az alkalmazott nanóanyagok nem törődnek a hordozó felületével. . Még jobb, ha vákuumban alkalmazza a PEDOT-ot.
A következő lépés annak meghatározása volt, hogy mely szövetek működnek a legjobban.
"Selyem, gyapjú, nejlon - mindezen különféle hordozók - hoztam föl" - mondja Fairbanks, megjegyezve, hogy az anyagok a Jo-Ann Fabrics standard mintái. A szövetek teszteléséhez mindegyiket PEDOT-lal és más félvezető anyagokkal bevonják, majd az elektródakapcsokhoz és vezetékekhez rögzítik. Feszültséget adtak és megmérték minden kimeneti áramot.
Némelyikük felmelegszik, elveszi az energiát, és hőre fordítja; közülük néhány adagolta a hőt, mégis sokkal könnyebben vezetett be ”- mondja Fairbanks.
„A PEDOT vezetőképességét az alapjául szolgáló textíliák teljesen meghatározták” - tette hozzá Andrew. „Ha lenne egy porózus textil, akkor a vezetőképessége meghaladná a rézét. Ha nagyon homályos textil lenne, például homályos pamut trikó vagy gyapjú filc, vagy nagyon szorosan szőtt textil, akkor a PEDOT vezetőképessége nagyon rossz volt. "
Kezdeti kísérleteik alapján Andrew kesztyű prototípust javasolt, hogy kihasználhassa az egyes szövet különböző tulajdonságait. A formatervezés lényegében speciális textíliákat használt a villamosenergia vezetésére a kesztyű különböző részeinek melegítésére. A prototípus ananászszálból készül, amely nagyon vezetőképes és elnyeli a hőt, valamint pamutból, amely fékként működik a rétegek közötti hő megtartása érdekében. Ez az első tétel, amelyet a duó készített, és azt remélik, hogy valóban piacra dobja.
"Ez az együttműködés igazán izgalmas" - mondja Fairbanks -, az, hogy mi nem azért jöttünk össze, hogy kifejezetten ezt a kesztyűt hozzuk létre. Ez csak az eredeti kutatás ezen másik oldalkimeneteinek egyike volt. ”
A kutatási és fejlesztési folyamaton keresztül Andrew és Fairbanks a kezdeti naptextil-ötletén túl, amely még folyamatban van, kísérletezte egy újabb napenergia-innovációval, amely magában foglalja az egyes szálak PEDOT-bevonását és a darabok összefonását a munkakör kialakításához. . Ez a teljesen eredeti szövet úgy működik, mint egy trioelektromos eszköz, és a mechanikus mozgást energiává teszi. A duó különféle szövött mintákat 10-től 10-hüvelykig készített, a leghatékonyabb körülbelül 400 milliwatt teljesítményt generálva, egyszerűen csak egy kis zászló köré integetve.
„Ha valójában egy ház függönyét készítettél, olyasmire, hogy négy-négy méteres, akkor az elegendő energiát jelent az okostelefon töltéséhez” - mondja Andrew, megjegyezve, hogy az anyagnak csak az ablakon át szellő lenne szüksége. hogy megteremtse ezt az erőt.
Andrew és Fairbanks számos iparágban működik számos vállalattal, amelyek érdeklődnek ezen ötletek beépítésében a jövőbeli termékekbe. Andrew, például, egy légierő támogatással rendelkezik, amely napenergia-sátrakat készít katonai felhasználásra, és kültéri felszerelésekkel rendelkezik a Patagóniában fejlesztés alatt.
"Nagyon izgatott vagyok, mert a textil hordozható és könnyű" - mondja Fairbanks. "A vadonban vadonban vagy orvosi vagy katonai célú terepen állíthatók be olyan módon, ahogyan a nagy zsúfolt napelemek soha nem lennének."
A Fairbanks korlátlan lehetőségeket lát. A napelemes textil a jövőben több száz alkalmazásban felhasználható, beleértve az esernyőket, napellenzőket és a menekültek menedékeit, míg a triboelektromos szövet háztartási cikkekben vagy sporteszközökben, például futó ingben és teniszcipőben használható - bármi, ami mozgást igényel, mivel így generál energiát.
"Nagyon izgatott vagyok, hogy 100 százalékig működőképes legyen, és kijusson a világba" - mondja Fairbanks.
