Ученые придумали, как использовать кожуру помело для генерации электроэнергии

Американские исследователи разработали метод переработки губчатой и пористой кожуры помело в то, из чего можно получать электричество. Эти экологически чистые устройства используют контактную электрификацию для питания небольшой электроники вроде светодиодов, калькуляторов и спортивных часов.

Помело — крупный цитрусовый фрукт, широко культивируемый в Юго-Восточной и Восточной Азии, — имеет ощутимо толстую кожуру, которую обычно выбрасывают, что значительно увеличивает количество пищевых отходов.

Ученые из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне изучили методы повторного использования этой биомассы для разработки инструментов, способных питать небольшие электронные устройства и контролировать биомеханические движения. Результаты их работы опубликованы в ACS Applied Materials & Interfaces.

«В кожуре помело есть две основные части — тонкий внешний слой и толстый белый внутренний слой. Белая часть мягкая и ощущается как губка, когда вы нажимаете на нее. Некоторые используют кожуру помело для извлечения соединений для эфирных масел или пектина, но мы хотели воспользоваться ее естественной пористой, губчатой ​​структурой. Если мы сможем перерабатывать кожуру в более ценные продукты вместо того, чтобы просто выбрасывать, мы сможем не только сократить отходы от производства, потребления и приготовления сока помело, но и создать больше ценности из пищевых и сельскохозяйственных отходов», — пояснил соавтор исследования И-Чэн Ван, доцент кафедры пищевых наук и питания человека Колледжа сельскохозяйственных, потребительских и экологических наук в Иллинойсе.

Типичный помело весит от одного до двух килограммов, при этом кожура составляет от тридцати до пятидесяти процентов его веса. Ученые отделили кожуру от плода, удалили внешний слой, а затем переработали толстую белую внутреннюю стенку. Они разрезали ее на мелкие кусочки и подвергли сублимационной сушке, чтобы сохранить уникальную трехмерную пористую архитектуру. Затем образцы хранились в условиях различной влажности для дальнейшего анализа.

Исследуя химический состав и механические свойства кожуры, исследовательская группа успешно спроектировала устройства, преобразующие механическую энергию в электричество. Эти устройства также функционировали как датчики движения с автономным питанием.

«Эти устройства используют принцип контактной электризации. Это может показаться сложным, но на самом деле довольно просто. Мы сталкиваемся с этим постоянно. Например, когда мы прикасаемся к дверной ручке, особенно зимой, иногда мы чувствуем удар током. Основной механизм — контактная электризация из-за трения. Когда два материала трутся друг о друга, может образовываться статическое электричество из-за передачи зарядов между ними. Мы хотели исследовать, можем ли мы собирать и использовать это электричество», — рассказал Ван.

Ученые использовали биомассу кожуры помело и пластиковую (полиимидную) пленку в качестве двух трибоэлектрических слоев, которые контактируют при наличии внешней силы. Они прикрепили электрод из медной фольги к каждому из этих слоев и оценили, насколько хорошо полученное устройство может преобразовывать внешнюю механическую энергию в электричество.

Простым нажатием пальцем на эти трибоэлектрические устройства на основе кожуры помело можно было зажечь около двадцати светодиодов (LED). Они также продемонстрировали, что калькулятор или спортивные часы могут питаться исключительно от этих механических сил, без необходимости во внешнем электричестве, когда устройство интегрировано с системой управления питанием, включающей блок хранения энергии.

«Это имеет большой потенциал для преобразования энергии, которая иначе тратилась бы впустую, в полезное электричество. Мы также обнаружили, что благодаря естественной пористой структуре кожуры помело трибоэлектрические устройства на ее основе могут быть очень чувствительны к силе и частоте силы. Это вдохновило нас на разработку сенсорных устройств, которые можно прикрепить к телу человека для биомеханического мониторинга», — пояснил ученый.

Прикрепленные к различным частям тела, датчики смогли отслеживать биомеханические движения, такие как движения суставов и модели походки. Это связано с тем, что движения различных частей тела могут приводить к контактной электризации между трибоэлектрическими слоями, генерируя различные электрические сигналы, соответствующие различным движениям. Эта возможность имеет большой потенциал для предоставления ценных идей для специалистов в области здравоохранения и физической реабилитации.

«Наша работа подчеркивает захватывающие возможности преобразования пищевых отходов в устройства и материалы с добавленной стоимостью. Потенциально заменяя или дополняя невозобновляемые аналоги и сокращая отходы, она может внести значительный вклад в долгосрочную устойчивость, и мы продолжим изучать больше возможностей для вторичной переработки пищевых и сельскохозяйственных отходов», — резюмирует Ван.

В настоящее время исследователи подали предварительный патент на свои трибоэлектрические устройства, основанные на кожуре помело.

Поддержать развитие блога можно на Boosty по ссылке.