Sträck tyget — och tänd lampan
Svettigt och tungt? Då jobbar textilen som bäst.
Forskare på Chalmers har utvecklat ett vävt tyg som ger ifrån sig elektricitet när det sträcks eller utsätts för tryck. Tillräckligt för att tända en lampa eller driva en miniräknare.
Det forskarna Anja Lund och Christian Müller gjort är att utveckla ett tyg som omvandlar rörelseenergi till elenergi, i samarbete med Textilhögskolan i Borås och forskningsinstitutet Swerea IVF. Ju mer textilen belastas och ju blötare den är desto mer elektricitet ger den. Resultaten publiceras nu i Nature Partner-tidskriften Flexible Electronics.
Tyget kan i dagsläget generera tillräcklig energi för att tända en lysdiod, skicka trådlösa signaler eller driva mindre elektriska enheter som en miniräknare eller en digital klocka.
Teknologin bygger på den piezoelektriska effekten, vilket innebär att elektricitet skapas när ett material deformeras, till exempel genom att sträckas. I studien har forskarna skapat en textil genom att väva ihop en piezoelektrisk tråd med en elektriskt ledande tråd, som krävs för att transportera elektriciteten för användning.
– Textilen är följsam och mjuk och blir till och med mer effektiv när den blir fuktig eller blöt, säger Anja Lund. För att demonstrera resultatet av vår forskning använder vi textilen i axelremmen på en väska. Ju tyngre väskan är packad och ju större del av väskan som består av vår väv, desto mer energi får vi ut. När vår väska lastas med 3 kilo böcker får vi ut 4 mikrowatt. Det räcker för att tända en lysdiod. Genom att göra en hel väska i vår textil skulle vi kunna få tillräcklig energi för att skicka trådlösa signaler.
Varje tråd består av 24 fibrer, tunna som hårstrån. När fibrerna omsluts av vätska blir tråden mer effektiv eftersom det skapas bättre elektrisk kontakt mellan fibrerna. Tekniken bygger på forskarnas tidigare studier där de utvecklat den piezoelektriska tråden, som de nu lagt till ytterligare en dimension på.
– Den piezoelektriska tråden utgörs av ett piezoelektriskt skal runt en elektriskt ledande kärna, säger Anja Lund. Tråden och den yttre ledande tråden blir till en seriekopplad elektrisk krets.
Forskarnas tidigare arbete kring piezoelektriska textilier har hittills främst handlat om sensorer och möjligheten att samla in mätdata genom tryckkänslighet. Att använda energin till att kontinuerligt driva elektriska komponenter är helt unikt.
– Att väva in piezoelektriska material i textil innebär att teknologin blir lättillgänglig och den går att använda i vardagen. Det går även att lägga till fler material i väven eller använda det som ett lager i en flerlagersprodukt. Det kräver viss modifiering, men det går, säger Anja Lund.
Forskarna bedömer att teknologin i princip är redo för produktion. Det är nu främst upp till produktutvecklare inom industrin att hitta på hur man ska ta tillvara på teknologin. Trots den avancerade tekniken som ligger bakom materialet är kostnaden relativt låg – jämförbar med priset på Gore Tex. Genom samarbetet med Textilhögskolan i Borås har forskarna kunnat visa att tråden kan vävas i industrivävstolar och är slitstark nog att klara de krafter som krävs för massproduktion.
Kontakt:
Anja Lund, doktor, Kemi och kemiteknik, Chalmers, anja.lund@chalmers.se, 031-772 83 22, 0704-56 46 21
Christian Müller, professor, Kemi och kemiteknik, Chalmers, christian.muller@chalmers.se, 031-772 27 90, 072-376 11 86
Textilen består av piezoelektriska trådar sammanvävda med elektriskt ledande trådar. En piezoelektrisk tråd är uppbyggd av 24 hårstråtunna fibrer, där varje fiber har en elektriskt ledande kärna som är omsluten av en isolerande och piezoelektrisk polymer. Vid tillverkning utsätts tyget för hög spänning, vilket gör att positiva och negativa laddningar i polymeren separeras på ett ordnat sätt. När textilen sedan töjs eller utsätts för tryck orsakar deformationen av fibrerna en obalans i laddningsfördelningen, vilket genererar en elektrisk spänning. Den elektriskt ledande tråden krävs för att bilda en sluten krets där en elektrisk ström kan flyta.
Den piezoelektriska effekten innebär att ett material kan generera en elektrisk spänning när det utsätts för tryck eller töjning. Piezoelektricitet kommer av att det uppstår en laddningsförskjutning i materialet när det deformeras, och kan återfinnas bland annat i biologiska material som exempelvis ben, protein och DNA, men även i andra typer av material som keramik, plast och textilier.
Forskningen har finansierats av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, Stiftelsen för strategisk forskning, och European Research Council (ERC).
