Aastaid valmistas kangakujundaja Marianne Fairbanks päikesepatareidega käekotte. Tema ettevõte Noon Solar oli suunatud tipptasemel linnalähedasele moeturule ja tipptasemel müüs ta USA-s ja Kanadas 30 kaupluses. Kui Noon Solar 2010. aastal oma uksed sulges, oli Fairbanks, kes astus 2014. aastal Wisconsini-Madisoni ülikoolis inimökoloogia kooli abiprofessoriks, endiselt päikeseenergia disaini kontseptsiooni.
Pärast ülikoolilinnakusse saabumist avastas Fairbanks Massachusettsi-Amhersti ülikoolis orgaanilise keemia abiprofessor Trisha Andrew. Andrew on spetsialiseerunud odavate, kergete päikesepatareide väljatöötamisele. Täpsemalt, ta oli loonud paberil orgaaniliste värvainete baasil päikeseelemendi.
Nende kahe koostöö algas süütu telefonikõnega.
"Ma küsisin Trishilt, " ütleb Fairbanks, "kas me saaksime rakendada tema ideed, mida ta oleks paberil tekstiilil kasutanud. Ja nii saigi meie projekt alguse. ”
„Tänapäevase kantava elektroonika loomise viis on lihtne pakkimisprotsess, ” ütleb Andrew. „Fitbiti või Apple'i kell - neil kõigil on trükkplaat (trükkplaat), mis hoiab vähe elektroonikat. See võimaldab teil seda seadet "kanda", kuid minu jaoks pole see päris kantav elektroonika. See on ainult midagi, mis on teisele materjalile paika pandud. ”
Nende ühine kirg päikeseinnovatsiooni ees on nüüd see, et nad töötaksid päikeseenergia tekstiili lõpliku väljatöötamise nimel. Kuigi Fairbanksi plaan on lõpuks valmis kangas harida, loodab Andrew selle kanga enda kanda võtta ja tegelikult turustatavaid tooteid valmistada. Andrew näeb ette soojendatud turvatoolide riidest paneele või isegi suuremasse rõivasse õmmeldud väikeseid päikesepaneele.
Trisha Andrew, vasakul ja Marianne Fairbanks, paremal, on välja töötanud päikestekstiili kootud prototüübi. (Foto autor: Jeff Miller / UW-Madison) Ajalooliselt on päikesepaneelid valmistatud klaasist või plastist - materjalidest, mis on kõvad ja hävivad üsna hõlpsalt. Esiteks pöördusid teadlased tekstiili poole 2001. aastal, püüdes luua elastset, hingavat ja elastset päikesekomponenti. Sellest ajast peale on päikesekangad lisatud staadionikatetesse, autokatustesse ja isegi kantavasse kunsti, kuid Andrew ja Fairbanks väidavad, et nende kangas on teiste rühmade jaoks parem kui hingavus, tugevus ja tihedus. Nad pole mitte ainult välja mõelnud, kuidas kasutada oma protsessi igat tüüpi kangastel, vaid kuna see on teadlase ja disaineri koostöö, on neil ka võimalus laiendada päikestekstiilide valikut kaubanduslikemal, tarbijasõbralikumal turul.
"Suurim probleem on see, et tekstiilid, alates inseneri- ja keemiakontsernist, on uskumatult krobelised, " ütleb Andrew. „Nad on kolmemõõtmeline põhimik; nad pole tasased. ”
Nende päikesepatarei koosneb ühest kihist kangast, millel on neli kihti erinevaid polümeere. Esimene kiht on polü (3, 4-etüleendioksütiofeen) või “PEDOT”, mille Andrew ja tema järeldoktori uurimisassistent Lushuai Zhang avastasid, et kanga juhtivust suurendavad uskumatult hästi. Ülejäänud kolm kihti on mitmesugused pooljuhtivad värvained, näiteks vaskftalotsüaniini sinine värv, mis toimivad raku fotoaktiivsete kihtide või valguse neelajatena. Andrew ja Fairbanks on kahe esimese mantliga saavutanud korduvat edu, kuid töötavad endiselt välja mantlid kolm ja neli.
Kangad on erinevalt siledast ja läikivast klaasist või plastist poorsed, mis muudab nende spetsiifiliste polümeeridega ühtlase katmise natuke keerukaks. Kui arvestada sellega, kuidas kangatükk luuakse, koosneb see mitmest omavahel keeratud kiust. Igal kiul on erinev karedustase, mis sisaldab keemilisest aspektist mitut valguskaalu (nanomeeter, mikromeeter jne).
"Selleks, et tegelikult juhtida elektrooniliselt juhtiv polümeer üle selle pinna, peate mööda neid kõiki erinevaid valgusskaalasid läbima, " ütleb Andrew. "Ja see on raske."
Selle probleemi lahendamiseks otsustas Andrew proovida keemilise aurustamise-sadestamise (CVD) - tehnikat, mis on tavaliselt ette nähtud anorgaanilisteks katseteks, kus kasutatakse kõvasid substraate nagu metallid või plastid. Kasutades ära massitranspordi omadusi või üldisi füüsikalisi seadusi, mis reguleerivad massi liikumist ühest punktist teise, saab Andrew ühtlaselt katta mis tahes suvalise aine, sealhulgas kanga, kuna kasutatud nanomaterjalid ei hooli põhimiku pinnast. . Veelgi parem, ta rakendab PEDOTi vaakumis.
Järgmine samm oli kindlaks teha, millised kangad kõige paremini toimiksid.
"Ma tõin üle siidi, villa, nailoni - kõik need erinevad põhimikud, " ütleb Fairbanks, märkides, et materjalid olid Jo-Ann Fabricsi standardsed proovid. Kangaste testimiseks kaeti nad igaüks PEDOT-i ja muude pooljuhtmaterjalidega, seejärel haakiti need elektroodiklambrite ja juhtmete külge. Nad rakendasid pinget ja mõõtsid iga proovi väljundvoolu.
“Mõni neist soojeneks ja võtaks energiat ning edastaks selle soojuseks; mõned neist andsid soojust välja, kuid juhtisid seda palju kergemini, ”ütleb Fairbanks.
“PEDOT-i juhtivus määrati täielikult selle aluseks oleva tekstiiliga, ” lisab Andrew. “Kui meil oleks poorne tekstiil, siis oleks juhtivus suurem kui vasel. Kui meil oleks väga hägune tekstiil, näiteks hägune puuvillane vild või villavilt või väga tihedalt kootud tekstiil, siis oli PEDOT juhtivus tõesti halb. ”
Nende esialgsete katsete põhjal pakkus Andrew välja kinda prototüübi, et kasutada ära iga kanga erinevad omadused. Põhimõtteliselt kasutati nende disainis konkreetseid tekstiile, et juhtida elektrit kinda erinevate osade soojendamiseks. Prototüüp on valmistatud ananassikiust, mis on väga juhtiv ja neelab soojust, ning puuvillast, mis toimib pidurina kihtide vahelise soojuse hoidmiseks. See on esimene toode, mille duo on loonud ja mida nad loodavad turustada.
“See koostöö on põnev, ” ütleb Fairbanks, “see, et me ei tulnud kokku just selle kinda loomiseks. See oli vaid üks nendest algset uurimistööd käsitlevatest muudest väljunditest. ”
Uurimis- ja arendusprotsessi kaudu on Andrew ja Fairbanks katsetanud oma esialgset päikeseenergia tekstiili ideed, mis on alles pooleli, veel ühe päikeseinnovatsiooni jaoks, mis hõlmab iga kiudude katmist PEDOT-iga ja tükkide kudumist tööringi moodustamiseks. . See täiesti originaalne kangas toimib nagu triboelektriline seade, tõlkides mehaanilise liikumise võimsuseks. Duo on konstrueerinud erineva kangakujundusega 10x10-tolliseid proovielemente, millest kõige tõhusam on umbes 400 millivatist võimsust, lihtsalt selle ümber liputades.
"Kui te tegite maja jaoks tavalise kardina, milleks on midagi 4-tollist-jalga, siis on see nutitelefoni laadimiseks enam kui piisav jõud, " ütleb Andrew, märkides, et materjal vajab ainult akna kaudu avanevat tuult. et seda võimsustaset genereerida.
Andrew ja Fairbanks teevad koostööd paljude ettevõtetega erinevates tööstusharudes, kes on huvitatud nende ideede integreerimisest tulevastesse toodetesse. Andrew'l on näiteks õhujõudude toetus, mille eesmärk on päikesekaitses telkide tootmine sõduritele, ja tal on Patagooniaga arendamisel välivarustus.
“Olen väga põnevil, sest tekstiilid on kaasaskantavad ja kerged, ” ütleb Fairbanks. "Neid võiks jahimehe jaoks kõrbes kasutada või meditsiinilistel või sõjalistel eesmärkidel põllul nii, nagu suured kohmakad päikesepaneelid kunagi olla ei saaks."
Fairbanks näeb piiritu potentsiaali. Päikese tekstiili võiks tema sõnul kasutada sadade tulevaste rakenduste jaoks, sealhulgas vihmavarjude, varikatuste ja pagulaste varjualuste jaoks, samas kui triboelektrilist kangast võiks kasutada majapidamistarvetes või sporditarvetes, näiteks jooksusärgid ja tennised - kõik, mis nõuab liikumist, kuna nii see genereerib jõudu.
"Mul on hea meel, et see saab sajaprotsendiliselt toimima ja maailma turule, " ütleb Fairbanks.
