Jan 24, 2024

Pourquoi vous ne voulez pas d'"énergie fantôme" sur un vaisseau spatial

Mesurer et éliminer les niveaux « fantômes » inattendus d'électricité à partir de l'énergie

Mesurer et éliminer les niveaux d'électricité "fantômes" inattendus des dispositifs de récupération d'énergie était un défi - jusqu'à présent

Par Ronald T. Leon, Dr Peter C. Sherrell, Professeur Amanda V. Ellis, Université de Melbourne

Vous n'avez peut-être pas entendu parler des matériaux piézoélectriques, mais il y a de fortes chances que vous en ayez bénéficié.

Les matériaux piézoélectriques sont des matériaux solides – comme les cristaux, les os ou les protéines – qui produisent un courant électrique lorsqu'ils sont soumis à une contrainte mécanique.

Les matériaux qui récoltent l'énergie de leur environnement (par la lumière, la chaleur et le mouvement) se retrouvent dans les cellules solaires, l'électronique portable et implantable et même dans les engins spatiaux. Ils nous permettent de garder les appareils chargés plus longtemps, peut-être même pour toujours, sans avoir besoin de les connecter à une alimentation électrique.

Mais pour que ces récupérateurs d'énergie fonctionnent efficacement, nous devons savoir exactement combien d'énergie ils peuvent produire.

Maintenant, pour la première fois, en utilisant une technique simple de traitement du signal, notre équipe a montré que les signaux électriques utilisés pour étalonner les matériaux piézoélectriques incluent de l'énergie électrostatique (ou fantôme).

Notre recherche, publiée dans la revue Nano Energy, a révélé que plus d'électricité est produite que prévu, en particulier lorsque nous récoltons de l'énergie à partir du mouvement.

Cette énergie supplémentaire ou "fantôme" doit être prise en compte lors de la conception de la prochaine génération d'électronique avancée et, jusqu'à récemment, il n'y avait aucun moyen de dire combien d'énergie fantôme (le cas échéant) était présente dans les récupérateurs d'énergie basés sur le mouvement. .

Notre équipe de recherche a découvert un moyen simple d'identifier si cette énergie fantôme est présente - simplement en regardant le signal électrique produit par un matériau exposé au mouvement.

Les matériaux piézoélectriques sont utilisés pour la récupération et la détection d'énergie depuis plusieurs décennies.

Leur application va des collecteurs d'énergie très simples basés sur des contacts aux réseaux complexes de capteurs de vibrations industriels, de stimulateurs cardiaques, de dispositifs de surveillance de l'état des structures et de micro-propulseurs dans les satellites spatiaux.

Les récupérateurs d'énergie conventionnels basés sur le mouvement utilisent un ou plusieurs principes de conversion d'énergie, comme l'induction électromagnétique (par exemple, les éoliennes), l'induction électrostatique (par exemple, les générateurs Van Der Graaff) et la piézoélectricité.

Les progrès récents de la science des matériaux ont accéléré la conception et le développement de matériaux fonctionnels qui reposent sur le phénomène de la piézoélectricité.

La piézoélectricité convertit l'énergie mécanique par déformation en énergie électrique (tension). Par exemple, les polymères assez flexibles peuvent subir des modifications physiques temporaires, comme la flexion ou la torsion, avant de reprendre leur forme initiale.

Ceci, à son tour, provoque le déplacement des chaînes polymères internes, ce qui, dans certains polymères, entraîne une production électrique.

La capacité de ces matériaux à produire en continu une puissance électrique avec un minimum d'effort a intéressé les chercheurs et les fabricants de nombreux domaines.

De nos jours, les matériaux piézoélectriques (en particulier les polymères) sont largement utilisés comme dispositifs portables (comme les chaussures intelligentes, les montres ou les gants) pour convertir le mouvement en énergie électrique qui peut être stockée et utilisée.

Cependant, le frottement résultant de la production d'une sortie électrique par le matériau piézoélectrique peut entraîner l'accumulation de charges électrostatiques à la surface du matériau.

L'électricité statique est quelque chose que beaucoup d'entre nous ont connu - recevoir des décharges électriques après avoir marché en chaussettes sur un tapis ou après avoir regardé des éclairs pendant un orage.

C'est ce qu'on appelle l'effet « triboélectrique », qui peut se produire lorsque deux matériaux entrent en contact l'un avec l'autre. Dans les applications pratiques, comme la récupération d'énergie du mouvement, la compréhension de ces effets supplémentaires introduits par le frottement est essentielle pour éviter d'exposer les dispositifs électroniques complexes à une augmentation inattendue des rendements énergétiques.

Malheureusement, il est extrêmement difficile de faire la distinction entre les signaux piézoélectriques intrinsèques et les signaux gênés par la triboélectricité. Cela est principalement dû aux similitudes entre la piézoélectricité et les énigmatiques signaux triboélectriques.

Nous avons donc protégé les récupérateurs d'énergie, en enveloppant l'équipement dans un adhésif conducteur comme du ruban de carbone pour déterminer si les mesures des matériaux piézoélectriques étaient exactes.

Nous avons constaté que les signaux provenant de collecteurs d'énergie blindés (sans interférence triboélectrique) avaient une réponse en fréquence unique, par rapport aux signaux provenant de collecteurs d'énergie non blindés.

Nous avons constaté qu'en prenant simplement la sortie électrique d'un récupérateur d'énergie et en la convertissant dans le domaine fréquentiel, à l'aide d'une technique de traitement du signal commune appelée transformée de Fourier rapide, il devient immédiatement évident que l'énergie fantôme est présente dans les mesures.

Cette technique peut être utilisée par des logiciels mathématiques très simples comme MATLAB.

La transformée de Fourier rapide prend un signal analogique, comme la tension dans le temps, et le convertit dans le domaine fréquentiel - pour voir combien et à quelle fréquence il y a répétition dans ce même signal.

La récupération d'énergie basée sur le mouvement est un processus relativement simple, vous vous attendez donc à voir un spectre de fréquences simple. Considérez ce spectre comme un seul gratte-ciel. Cependant, lorsque l'équipe de recherche a intentionnellement ajouté de l'énergie fantôme, ce spectre de fréquences ressemblait maintenant à l'horizon d'une ville entière.

Ces distorsions dites induites par les harmoniques peuvent être distinguées comme des interférences d'énergie fantôme qui, dans la plupart des cas, amplifient le signal source.

En sachant comment rechercher l'énergie fantôme, les ingénieurs peuvent être sûrs que tous les matériaux de récupération d'énergie, peut-être ceux de l'espace ou implantés dans le corps, produiront la quantité exacte d'énergie dont ils ont besoin - ni plus, ni moins.

La méthode de la transformée de Fourier est régulièrement utilisée dans l'analyse des données pour trouver des tendances et des anomalies dans les signaux et nous pouvons utiliser cet outil pour identifier les interférences dans nos mesures piézoélectriques.

Il existe de nombreux petits emplacements sur les dispositifs de récupération d'énergie où des frottements se produisent pendant les tests - et ces petits emplacements peuvent faire une énorme différence pour la sortie.

Par exemple, ils pourraient prendre une sortie attendue de 1 volt (V) à 10 V ou même 50 V lors des tests de référence.

Bien que cela puisse sembler une bonne chose, toute cette énergie supplémentaire ne sera pas récoltée. Le pic de puissance inattendu est comme un fusible qui saute lors d'un coup de foudre et l'appareil ne serait pas en mesure de faire face à l'énergie supplémentaire.

Pas quelque chose que vous voulez dans l'espace ou à l'intérieur de votre corps.

Nous avons testé des échantillons piézoélectriques de différentes manières et montré, à l'aide de notre technique simple et rapide de transformée de Fourier, comment l'énergie fantôme pouvait être identifiée lors de l'analyse comparative.

L'identification et la mesure de l'énergie fantôme signifient que les chercheurs peuvent utiliser de simples filtres de signal pour isoler et éliminer toute interférence.

Les fabricants de récupérateurs d'énergie piézoélectriques peuvent l'appliquer pendant la construction - en créant en toute confiance des dispositifs conçus pour la bionique, les engins spatiaux ou toute autre application de précision - et produire la quantité exacte d'énergie dont ils ont besoin pour améliorer la durée de vie d'un dispositif. Peut-être pour toujours piezo-lifetimes.

Ce travail a été réalisé avec l'aide du Centre Aikenhead pour la découverte médicale (ACMD) et du Département de génie chimique, Faculté d'ingénierie et d'informatique, Université de Melbourne, et Andris Šutka, Institut d'ingénierie des matériaux et des surfaces, Faculté des sciences des matériaux et Chimie appliquée, Université technique de Riga.

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Première publication le 8 mai 2023 dans Engineering & Technology

Ronald T.Leon

Candidat co-doctorant ; Département de génie chimique, Faculté d'ingénierie et de technologie de l'information, Université de Melbourne ; Département des matériaux, Université de Manchester

Dr Peter Sherrel

Chercheur principal honoraire, École de génie chimique et biomédical, Faculté d'ingénierie et de technologie de l'information, Université de Melbourne

Professeur Amanda Ellis

Responsable de recherche, Ellis Research Group : Responsable du génie chimique, Faculté d'ingénierie et de technologie de l'information, Université de Melbourne

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Vous n'avez peut-être pas entendu parler des matériaux piézoélectriques, mais il y a de fortes chances que vous en ayez bénéficié.

Les matériaux piézoélectriques sont des matériaux solides - comme les cristaux, les os ou les protéines - qui produisent un courant électrique lorsqu'ils sont soumis à des contraintes mécaniques.

Les matériaux qui récoltent l'énergie de leur environnement (par la lumière, la chaleur et le mouvement) se retrouvent dans les cellules solaires, les appareils électroniques portables et implantables et même dans les engins spatiaux. Ils nous permettent de garder les appareils chargés plus longtemps, peut-être même pour toujours, sans avoir besoin de les connecter à une alimentation électrique.

Mais pour que ces récupérateurs d'énergie fonctionnent efficacement, nous devons savoir exactement combien d'énergie ils peuvent produire.

Maintenant, pour la première fois, en utilisant une simple technique de traitement du signal, notre équipe a montré que les signaux électriques utilisés pour comparer les matériaux piézoélectriques incluent l'énergie électrostatique (ou fantôme).

Notre recherche, publié dans la revue Nano Energy , ont constaté que plus d'électricité est produite que prévu, en particulier lorsque nous récupérons l'énergie du mouvement.

Cette énergie supplémentaire ou "fantôme" doit être prise en compte lors de la conception de la prochaine génération d'électronique de pointe et, jusqu'à récemment, il n'y avait aucun moyen de dire combien d'énergie fantôme (le cas échéant) était présent dans les récupérateurs d'énergie basés sur le mouvement.

Notre équipe de recherche a découvert un moyen simple d'identifier si cette énergie fantôme est présente - simplement en regardant le signal électrique produit par un matériau exposé au mouvement.

Mesure de l'énergie fantôme

Les matériaux piézoélectriques ont été utilisés pour la récupération et la détection d'énergie pour plusieurs décennies.

Leur application va des récupérateurs d'énergie très simples, basés sur des contacts, aux réseaux complexes d'industriels capteurs de vibrations, pacemakers , dispositifs de surveillance de la santé structurelle et micro-propulseurs dans les satellites spatiaux.

Les collecteurs d'énergie conventionnels basés sur le mouvement utilisent un ou plusieurs principes de conversion d'énergie, comme électromagnétique induction (par exemple, éoliennes), induction électrostatique (par exemple, Générateurs Van Der Graaff) et piézoélectricité.

Les progrès récents de la science des matériaux ont accéléré la conception et le développement de matériaux fonctionnels qui reposent sur le phénomène de la piézoélectricité.

La piézoélectricité convertit l'énergie mécanique par déformation en énergie électrique (tension). Par exemple, les polymères assez flexibles peuvent subir des modifications physiques temporaires, comme la flexion ou la torsion, avant de reprendre leur forme initiale.

Ceci, à son tour, provoque le déplacement des chaînes polymères internes, ce qui, dans certains polymères, entraîne une production électrique.

La capacité de ces matériaux à produire en continu une puissance électrique avec un minimum d'effort a intéressé les chercheurs et les fabricants de nombreux domaines.

De nos jours, les matériaux piézoélectriques (en particulier les polymères) sont largement utilisés comme dispositifs portables (comme les chaussures intelligentes , montres ou gants) pour convertir le mouvement en énergie électrique pouvant être stockée et utilisée.

effet triboélectrique', qui peut se produire lorsque deux matériaux entrent en contact. Dans des applications pratiques, comme la récupération d'énergie du mouvement, il est essentiel de comprendre ces effets supplémentaires introduits par la friction pour éviter d'exposer les appareils électroniques complexes à une augmentation inattendue des rendements énergétiques.

Malheureusement, il est extrêmement difficile de faire la distinction entre les signaux piézoélectriques et signaux entravés par la triboélectricité. Cela est principalement dû aux similitudes entre la piézoélectricité et les énigmatiques signaux triboélectriques.

Ainsi, nous avons protégé les collecteurs d'énergie, en enveloppant l'équipement dans un adhésif conducteur comme du ruban de carbone pour identifier si les mesures des matériaux piézoélectriques étaient précis.

Nous avons constaté que les signaux provenant de collecteurs d'énergie blindés (sans interférence triboélectrique) avaient une réponse en fréquence unique, par rapport aux signaux provenant de collecteurs d'énergie non blindés.

Trouver l'énergie fantôme

Nous avons découvert qu'en prenant simplement la sortie électrique d'un récupérateur d'énergie et en la convertissant en domaine fréquentiel, en utilisant une technique courante de traitement du signal appelée transformée de Fourier rapide, il devient immédiatement évident que l'énergie fantôme est présente dans les mesures.

Cette technique peut être utilisée par des logiciels mathématiques très simples comme MATLAB.

La transformée de Fourier rapide prend un signal analogique, comme la tension dans le temps, et le convertit dans le domaine fréquentiel - pour voir combien et à quelle fréquence il y a répétition dans ce même signal.

La récupération d'énergie basée sur le mouvement est un processus relativement simple, vous vous attendez donc à voir un spectre de fréquences simple. Considérez ce spectre comme un seul gratte-ciel. Cependant, lorsque l'équipe de recherche a intentionnellement ajouté de l'énergie fantôme, ce spectre de fréquences ressemblait maintenant à l'horizon d'une ville entière.

Ces distorsions dites induites par les harmoniques peuvent être distinguées comme des interférences d'énergie fantôme qui, dans la plupart des cas, amplifient le signal source.

En sachant comment rechercher l'énergie fantôme, les ingénieurs peuvent être sûrs que tous les matériaux de récupération d'énergie, peut-être ceux de l'espace ou implantés dans le corps, produiront la quantité exacte d'énergie dont ils ont besoin - pas plus , pas moins.

Suppression de l'énergie fantôme

La méthode de la transformée de Fourier est régulièrement utilisée dans l'analyse des données pour trouver des tendances et des anomalies dans les signaux et nous pouvons utiliser cet outil pour identifier les interférences dans nos mesures piézoélectriques.

Il existe de nombreux petits emplacements sur les dispositifs de récupération d'énergie où des frottements se produisent pendant les tests - et ces petits emplacements peuvent faire une énorme différence au niveau de la sortie.

Par exemple, ils pourraient prendre une sortie attendue de 1 volt (V) à 10 V ou même 50 V lors des tests de référence.

Bien que cela puisse sembler être une bonne chose, toute cette énergie supplémentaire ne sera pas récoltée. Le pic de puissance inattendu est comme un fusible qui saute lors d'un coup de foudre et l'appareil ne serait pas en mesure de faire face à l'énergie supplémentaire.

Pas quelque chose que vous voulez dans l'espace ou à l'intérieur de votre corps.

Nous avons testé des échantillons piézoélectriques de différentes manières et avons montré, en utilisant notre technique de transformée de Fourier simple et rapide , comment l'énergie fantôme a pu être identifiée lors de l'analyse comparative.

Identifier et mesurer l'énergie fantôme signifie que les chercheurs peuvent utiliser de simples filtres de signal pour isoler et éliminer toute interférence.

Les fabricants de récupérateurs d'énergie piézoélectriques peuvent l'appliquer pendant la construction - en créant en toute confiance des dispositifs conçus pour la bionique, les engins spatiaux ou toute autre application de précision - et produire la quantité exacte d'énergie dont ils ont besoin pour améliorer la durée de vie d'un dispositif. Peut-être pour toujours piezo-lifetimes.

Ce travail a été réalisé avec l'aide de Aiken< /a>centre principal de découverte médicale (ACMD) et < em>le Département de génie chimique, Faculté d'ingénierie et d'informatique, Université de Melbourne, et Andris Šutka, Institut d'ingénierie des matériaux et des surfaces, Faculté des sciences des matériaux et de chimie appliquée , Université technique de Riga.

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