Ani de zile, designerul de țesături Marianne Fairbanks a realizat genți de mână cu încărcătură solară. Compania sa, Noon Solar, a fost orientată către piața de modă urbană de înaltă calitate și, în vârful său, a vândut în 30 de magazine din Statele Unite și Canada. În timp ce Noon Solar și-a închis ușile în 2010, Fairbanks, care s-a alăturat Universității din Wisconsin-Madison în 2014 ca profesor asistent la școala de ecologie umană, a fost încă intrigat de conceptul de design solar.
Odată ajunsă în campus, Fairbanks a descoperit-o pe Trisha Andrew, un profesor asistent de chimie organică acum la Universitatea din Massachusetts-Amherst. Specialitatea Andrew este în dezvoltarea de celule solare ușoare și cu costuri reduse. Mai exact, ea a creat o hârtie solară pe bază de colorant organic pe hârtie.
Colaborarea dintre cei doi a început cu un apel telefonic inocent.
„L-am întrebat pe Trish”, spune Fairbanks, „dacă am putea aplica ideea ei că ar fi folosit pe hârtie pe un material textil. Și așa a început proiectul nostru. ”
„Modul în care sunt create electronica de astăzi este un proces simplu de ambalare”, spune Andrew. „Un Fitbit sau un ceas Apple - toate au un PCB [placă de circuit imprimat], care deține micul circuit electronic. Vă permite să „purtați” acel dispozitiv, dar pentru mine nu este o electronică reală de purtat. Acesta este doar ceva care este plasat pe un alt material. "
Pasiunea lor comună pentru inovația solară îi determină acum să lucreze la finalizarea proiectării unui textil solar. În timp ce planurile Fairbanks sunt de a cultiva în cele din urmă o țesătură finită, Andrew speră să ia acea țesătură și să fabrice efectiv produse comercializabile. Andrew are în vedere panourile din material textil pentru scaune încălzite sau chiar mici panouri solare cusute într-o haină mai mare.
Trisha Andrew, la stânga, și Marianne Fairbanks, la dreapta, au dezvoltat un prototip de țesături solare-textile. (Foto de Jeff Miller / UW-Madison) Istoric, panourile solare au fost realizate din sticlă sau plastic - materiale care sunt dure și pot fi distruse destul de ușor. Cercetătorii au apelat pentru prima dată la textile în 2001, în efortul de a crea o componentă solară care să fie flexibilă, respirabilă și flexibilă. De atunci, țesăturile solare au fost încorporate în copertele stadionului, în carporturi și chiar în arta purtabilă, însă Andrew și Fairbanks susțin că țesătura lor este superioară respirabilității, rezistenței și densității altor grupuri. Nu numai că și-au dat seama cum să-și folosească procesul pe orice tip de țesătură, dar, deoarece aceasta este o colaborare între om de știință și proiectant, au și capacitatea de a lărgi domeniul de aplicare al textilelor solare pe o piață mai comercială, mai consumatoare.
„Cea mai mare problemă este că textilele, dintr-o problemă de inginerie și chimie, sunt că sunt incredibil de dure”, spune Andrew. „Sunt un substrat tridimensional; nu sunt plate.
Celula lor solară este formată dintr-un strat de țesătură care are patru straturi de diferiți polimeri. Primul strat este Poly (3, 4-etylenedioxythiophene) sau "PEDOT", pe care Andrew și asistentul ei de cercetare post-doc, Lushuai Zhang, l-au descoperit au lucrat incredibil de bine pentru a crește conductivitatea unei țesături. Celelalte trei straturi sunt diverși coloranți semiconductori, cum ar fi colorantul albastru ftalocianină, care acționează ca straturi fotoactive sau amortizoare de lumină pentru celulă. Andrew și Fairbanks au obținut un succes repetat cu primele două paltoane, dar încă mai lucrează la bătăi pentru paltoane trei și patru.
Țesăturile, spre deosebire de sticla sau plasticul neted și lucios, sunt poroase, ceea ce face ca acoperirea uniformă cu polimeri specifici să fie un pic dificilă. Dacă luați în considerare modul în care este creată o bucată de țesătură, aceasta este formată din mai multe fibre răsucite între ele. Fiecare fibră va avea un nivel diferit de rugozitate, care, din punct de vedere chimic, include mai multe scări de lumină (nanometru, micrometru, etc.).
„Pentru a pune de fapt polimerul conductor electric pe acea suprafață, trebuie să parcurgi toate aceste scale diferite de lumină”, spune Andrew. - Și este greu.
Pentru a rezolva această problemă, Andrew a decis să încerce Depozitia chimică a vaporilor (CVD), o tehnică rezervată în mod tipic experimentelor anorganice care folosesc substraturi dure, cum ar fi metalele sau materialele plastice. Profitând de proprietățile de transport în masă sau de legile fizice generale care reglementează circulația masei dintr-un punct în altul, Andrew poate înveli uniform orice substanță arbitrară, inclusiv țesătura, deoarece nanomaterialele folosite nu le pasă de suprafața substratului. . Și mai bine, aplică PEDOT-ul în vid.
Următorul pas a fost să determinăm ce țesături ar funcționa cel mai bine.
"Am adus mătase, lână, nailon - toate aceste substraturi diferite", spune Fairbanks, menționând că materialele erau probe standard de la Jo-Ann Fabrics. Pentru a testa țesăturile, au acoperit fiecare cu PEDOT și alte materiale semiconductoare, apoi le-au agățat la cleme și fire electrod. Au aplicat tensiunea și au măsurat curentul de ieșire pentru fiecare swatch.
„Unii dintre ei s-ar încălzi și ar lua energia și s-ar traduce prin căldură; unii dintre ei au aruncat căldura, dar au condus mult mai ușor ”, spune Fairbanks.
„Conductivitatea PEDOT a fost complet determinată de materialele textile subiacente”, adaugă Andrew. „Dacă aveam un material textil poros, aveam conductivitate mai mare decât cuprul. Dacă am avea un material textil foarte confuz, cum ar fi un tricou de bumbac sau o pâslă de lână sau materiale textile foarte strânse, atunci conductivitatea PEDOT a fost cu adevărat proastă. ”
Pe baza experimentelor lor inițiale, Andrew a propus un prototip de mănușă pentru a profita de diferitele proprietăți ale fiecărei țesături. În esență, designul lor a folosit anumite materiale textile pentru a conduce electricitatea pentru a încălzi diferite părți ale mănușii. Prototipul este realizat din fibre de ananas, care este foarte conductiv și absoarbe căldura, iar bumbacul, care acționează ca o frână pentru a menține căldura conținută între straturi. Acesta este primul element pe care l-a creat duo-ul pe care speră să îl facă pe piață.
„Ceea ce este cu adevărat fascinant în această colaborare”, spune Fairbanks, „este faptul că nu ne-am reunit pentru a crea această mănușă, în mod special. A fost doar una dintre aceste alte rezultate ale cercetării inițiale. ”
Prin procesul de cercetare și dezvoltare, Andrew și Fairbanks au experimentat dincolo de ideea lor inițială de textile solare, care este încă o lucrare în desfășurare, la o altă inovație solară care implică acoperirea fiecărei fibre individuale cu PEDOT și țeserea pieselor împreună pentru a forma circuitul de lucru. . Această țesătură complet originală funcționează ca un dispozitiv triboelectric, transpunând mișcarea mecanică în putere. Duo-ul a construit mostre de 10 pe 10 inch de diferite modele de țesături, cu cea mai eficientă generare de aproximativ 400 de miliarde de puteri, prin simpla purtare a acestuia ca un mic steag.
„Dacă de fapt ai făcut o perdea standard pentru o casă, ceva de 4 pe 4 metri, atunci aceasta este o putere mai mult decât suficientă pentru a-ți încărca smartphone-ul”, spune Andrew, menționând că materialul ar avea nevoie doar de o adiere care să intre pe fereastră. pentru a genera acel nivel de putere.
Andrew și Fairbanks lucrează cu mai multe companii dintr-o varietate de industrii care sunt interesate de încorporarea acestor idei în viitoarele produse. Andrew, de exemplu, are un grant al Forțelor Aeriene care are ca scop producerea de corturi solare pentru uz soldat și are echipament în aer liber în dezvoltare cu Patagonia.
„Sunt foarte încântat, deoarece textilele sunt portabile și ușoare”, spune Fairbanks. „Ar putea fi dislocate în pustiu pentru un vânător sau pe câmp, pentru aplicații medicale sau militare, într-un mod în care panourile solare groaznice nu ar putea fi niciodată.”
Fairbanks vede un potențial nelimitat. Spune ea, textilele solare, ar putea fi folosite pentru sute de aplicații viitoare, inclusiv umbrele, copertine și adăposturi pentru refugiați, în timp ce țesătura triboelectrică ar putea fi folosită în articole de uz casnic sau echipament sportiv, cum ar fi cămăși de alergat și încălțăminte de tenis - orice lucru care necesită mișcare de atunci așa generează putere.
„Sunt încântat să-i funcționez 100% la nivel mondial”, spune Fairbanks.
