Układy z nanowłókien są milion razy mniejsze niż główka od szpilki. To właśnie one w niedalekiej przyszłości zastąpią znane nam i powszechnie stosowane baterie. Co więcej, przy ich pomocy będzie zbierana energia z otoczenia, np. z drgań budynku czy ciepła wytwarzanego przez ciało człowieka. 

Światowe zasoby paliw kopalnianych wyczerpują się, a zapotrzebowanie na energię stale wzrasta. Przez ostatnie kilkadziesiąt lat podejmowane są coraz intensywniejsze wysiłki, aby pozyskiwać energię ze źródeł odnawialnych np. energii słonecznej, ciepła odpadowego czy ruchu mechanicznego. Obecnie około 1,7% światowej energii elektrycznej pochodzi np. z ogniw słonecznych. W związku z tym technologia jej pozyskiwania (tzw. energy harvesting) stale się rozwija i opracowywane są coraz bardziej zaawansowane urządzenia o ekstremalnie małych rozmiarach.

– Okazuje się, że zastosowanie układów na bazie nanoprzewodów znaczenie zwiększa wydajność ogniw słonecznych. Siłą rzeczy powoduje to ogromny wzrost zainteresowania wytwarzaniem, zastosowaniem i pomiarami takich systemów – mówi prof. Teodor Gotszalk z Katedry Nanometrologii na Wydziale Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki PWr.

Naukowiec kieruje  projektem badawczym NanoWires finansowanym w ramach programu Horyzont 2020, który ma pomóc dostosować rozwiązania nanotechnologiczne dla potrzeb przemysłu energii odnawialnej.

Dywan zamiast baterii

Badania te dotyczą pomiarów układów włókien o wymiarach dziesiątków nanometrów, które w całości mogą tworzyć rodzaj dywanów o rozmiarach nawet pojedynczych milimetrów kwadratowych. To właśnie one mają szanse i powinny niebawem zastąpić tradycyjne baterie stosowane w różnych konstrukcjach elektroniki mobilnej. Nanowłókna mają doskonałe właściwości przewodzenia elektrycznego – niejako w całości odpowiadają na bodźce pobudzające i dlatego mogą być użyte jako wydajne generatory energii.

Nanowłókna domieszkowanego krzemu jako fotoogniwa, fot. dzięki uprzejmości dr. Martina Foldyny, French National Centre for Scientific Research, CNRS Laboratoire de Physique des Interfaces et des Couches Minces, Ecole Polytechnique Paris

–  Obserwujemy intensywny rozwój technologii tzw. Internetu Rzeczy, w którym coraz więcej urządzeń z naszego otoczenia będzie podłączonych, tworząc  sieci czujnikowe i informacyjne. Układy takie będą mierzyć w wielu punktach oraz informować się wzajemnie chociażby o panującym ciśnieniu, temperaturze, składzie powietrza czy zanieczyszczeniu. Elementy takich sieci także muszą być zasilane, a mogą i często będą umieszczane w trudno dostępnych miejscach w naszym otoczeniu. Wszelkiego typu zwykłe baterie są dużym obciążeniem dla naszego środowiska – ze względu na skład chemiczny i problemy recyklingowe oraz trudności w serwisowaniu. Dlatego pojawił się pomysł, aby energię do systemów Internetu Rzeczy zbierać z otoczenia, tak aby stworzyć zamknięty obieg energii – tłumaczy naukowiec z W12.

Jako przykład podaje pozyskiwanie energii z drgań budynku. – Po gmachu uczelni przewijają się setki studentów i pracowników, którzy wprawiają obiekt w mikro drgania. Na co dzień tego nie czujemy, ale takie zjawisko ma miejsce. Budynek drga, więc krąży w nim energia, którą warto pozyskać. Dywany z nanowłókien mogłyby tę energię systematycznie gromadzić, ale też zasilać np. zainstalowane czujniki – wyjaśnia prof. Gotszalk.

Wyzwaniem jest jednak zmierzenie, ile tej energii jest gromadzonych na pojedynczym włóknie, a ile w takim dywanie, składającym się z niewyobrażalnie dużej liczby połączonych ze sobą nanogeneratorów. I właśnie opracowania tego rodzaju technik dotyczą badania realizowane przez Politechnikę Wrocławską we współpracy z Głównym Urzędem Miar w ramach NanoWires.

Specjaliści od MEMS

– Są to badania bardzo zaawansowane, w skali pojedynczego, tak małego, nanowłókna jeszcze nigdy w świecie niezrealizowane. Wymagają specjalistycznej aparatury i pomysłu na metodę pomiaru, która byłaby uniwersalna, tak aby mogła być użyta na całym świecie dla wszelkiego typu urządzeń bazujących na nanowłóknach – mówi prof. Teodor Gotszalk.

W ramach projektu opracowane zostaną również modele wspierające produkcję zasilaczy pozyskujących energię dla systemów Internetu Rzeczy .

Pomiary wykonywane w Katedrze Nanometrologii będą prowadzone metodami mikroskopii bliskich oddziaływań (ang. scanning probe microscopy - SPM). – Naszym pomysłem jest osadzanie nanowłókien na specjalizowanych podłożach wykonywanych w technologii układów mikro-elektromechanicznych (ang. micro-electromechanical systems - MEMS). To są metody badawcze, które opracowujemy razem z Instytutem Mikroelektroniki i Fotoniki Sieci Łukasiewicza w Warszawie jako jedyni w Polsce i nieliczni w Europie i na świecie – podkreśla naukowiec. 

Projekt NanoWires rozpoczął się pod koniec 2020 roku i będzie trwał trzy lata. Jest częścią europejskich działań metrologicznych EMPIR, finansowanych w ramach programu ramowego Horyzont 2020.

Efektem badań realizowanych na PWr mają być jasne wskazówki, jak charakteryzować układy do odzyskiwania energii z otoczenia. W projekcie koordynowanym przez Niemiecki Instytut Metrologiczny (Physikalisch Technische Bundesanstalt) uczestniczą także inne ośrodki naukowo-badawcze takie jak: Uniwersytet Orsey w Paryżu, Czeski i Francuski Instytut Metrologiczny.

–  Zależy nam, żeby propagować wiedzę dotyczącą nanometrologii, bo wkrótce układy oparte na nanowłóknach będą już standardem. Planujemy zorganizować konferencje i spotkania szkoleniowe, chcemy w jak najszerszym gronie naukowców skonfrontować opracowane przez nas metody i wymieniać się doświadczeniami z innymi ośrodkami zajmującymi się nanotechnologiami – mówi prof. Teodor Gotszalk.

Iwona Szajner