Przez lata projektantka tkanin Marianne Fairbanks produkowała torebki naładowane energią słoneczną. Jej firma, Noon Solar, była ukierunkowana na wysokiej klasy miejski rynek mody, a u szczytu sprzedawała się w 30 sklepach w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie. Podczas gdy Noon Solar zamknął swoje podwoje w 2010 roku, Fairbanks, który dołączył do University of Wisconsin-Madison w 2014 roku jako profesor nadzwyczajny w szkole ekologii człowieka, nadal był zaintrygowany koncepcją projektowania solarnego.
Gdy przybyła na kampus, Fairbanks odkryła Trishę Andrew, profesora chemii organicznej na University of Massachusetts-Amherst. Specjalnością Andrew jest opracowywanie tanich, lekkich ogniw słonecznych. W szczególności stworzyła na papierze organiczne ogniwo słoneczne na bazie barwnika.
Współpraca między nimi rozpoczęła się od niewinnego telefonu.
„Zapytałem Trish” - mówi Fairbanks - „czy moglibyśmy zastosować jej pomysł, że użyła na papierze na tkaninie. I tak rozpoczął się nasz projekt. ”
„Sposób, w jaki powstaje dzisiejsza elektronika do noszenia, to prosty proces pakowania”, mówi Andrew. „Zegarek Fitbit lub Apple - wszystkie mają płytkę drukowaną [PCB], która utrzymuje mały obwód elektroniczny. Pozwala „nosić” to urządzenie, ale dla mnie to nie jest prawdziwa elektronika do noszenia. To tylko coś, co jest załatane na innym materiale. ”
Ich wspólna pasja do innowacji słonecznych zmusza ich teraz do sfinalizowania projektu tkaniny słonecznej. Podczas gdy plany Fairbanks przewidują ostateczną uprawę gotowego materiału, Andrew ma nadzieję, że weźmie go i wyprodukuje produkty przeznaczone na rynek. Andrew przewiduje panele z tkaniny na podgrzewane fotele samochodowe, a nawet małe panele słoneczne wszyte w większą część garderoby.
Trisha Andrew z lewej i Marianne Fairbanks z prawej opracowali tkany prototyp z tkaniny słonecznej. (Zdjęcie: Jeff Miller / UW-Madison) Historycznie panele słoneczne były wykonane ze szkła lub tworzywa sztucznego - materiałów, które są twarde i można je dość łatwo zniszczyć. Naukowcy po raz pierwszy zwrócili się do tekstyliów w 2001 roku, starając się stworzyć element słoneczny, który jest giętki, oddychający i elastyczny. Od tego czasu tkaniny słoneczne zostały włączone do pokrowców stadionowych, wiat samochodowych, a nawet dzieł sztuki do noszenia, ale Andrew i Fairbanks twierdzą, że ich tkanina przewyższa oddychalność, wytrzymałość i gęstość innych grup. Nie tylko wymyślili, jak wykorzystać swój proces na wszelkiego rodzaju tkaninach, ale ponieważ jest to współpraca między naukowcem a projektantem, mają oni także możliwość rozszerzenia zakresu tkanin słonecznych na bardziej komercyjnym, przyjaznym dla konsumentów rynku.
„Największym problemem jest to, że tkaniny, z inżynierii i chemii, są niezwykle szorstkie”, mówi Andrew. „Są trójwymiarowym podłożem; nie są płaskie. ”
Ich ogniwo słoneczne składa się z jednej warstwy tkaniny, która ma cztery warstwy różnych polimerów. Pierwszym płaszczem jest poli (3, 4-etylenodioksytiofen) lub „PEDOT”, które, jak odkrył Andrew i jej asystent badawczy post-doc, Lushuai Zhang, działały niesamowicie dobrze w celu zwiększenia przewodności materiału. Pozostałe trzy warstwy to różne barwniki półprzewodnikowe, takie jak ftalocyjanina o barwie niebieskiej miedzi, które działają jak warstwy fotoaktywne lub pochłaniacze światła dla komórki. Andrew i Fairbanks osiągnęli powtarzające się sukcesy z pierwszymi dwiema warstwami, ale wciąż pracują nad załamaniem trzech i czterech warstw.
Tkaniny, w przeciwieństwie do gładkiego i błyszczącego szkła lub plastiku, są porowate, co sprawia, że równomierne powlekanie ich specyficznymi polimerami jest nieco trudne. Jeśli zastanowisz się, jak powstaje kawałek tkaniny, składa się on z wielu skręconych ze sobą włókien. Każde włókno będzie miało inny poziom chropowatości, który z chemicznego punktu widzenia obejmuje wiele skal świetlnych (nanometr, mikrometr itp.).
„Aby faktycznie umieścić polimer przewodzący elektrony na tej powierzchni, musisz przejść wszystkie te różne skale światła”, mówi Andrew. „A to trudne”.
Aby obejść ten problem, Andrew postanowił wypróbować chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD), technikę zwykle zarezerwowaną dla eksperymentów nieorganicznych, w których stosuje się twarde podłoża, takie jak metale lub tworzywa sztuczne. Korzystając z właściwości transportu masy lub ogólnych praw fizycznych rządzących ruchem masy z jednego punktu do drugiego, Andrew może równomiernie pokryć dowolną dowolną substancję, w tym tkaninę, ponieważ zastosowane nanomateriały nie dbają o powierzchnię podłoża . Co więcej, stosuje PEDOT w próżni.
Kolejnym krokiem było ustalenie, które tkaniny będą działać najlepiej.
„Przywiozłem jedwab, wełnę, nylon - wszystkie te różne podłoża” - mówi Fairbanks, zauważając, że materiały były standardowymi próbkami od Jo-Ann Fabrics. Aby przetestować tkaniny, powleczono je PEDOT i innymi materiałami półprzewodnikowymi, a następnie przymocowano do klipsów i drutów elektrod. Przyłożyli napięcie i zmierzyli prąd wyjściowy dla każdej próbki.
„Niektórzy z nich rozgrzeją się, wezmą energię i zamienią ją w ciepło; niektóre z nich odprowadzały ciepło, ale przeprowadzały się znacznie łatwiej ”- mówi Fairbanks.
„Przewodność PEDOT została całkowicie określona przez leżące u podstaw tkaniny”, dodaje Andrew. „Gdybyśmy mieli porowatą tkaninę, uzyskaliśmy przewodność wyższą niż miedź. Gdybyśmy mieli bardzo puszysty materiał, taki jak puszysty dżersej bawełniany lub filc wełniany lub bardzo ciasno tkane tkaniny, wówczas przewodnictwo PEDOT było naprawdę złe ”.
Na podstawie swoich początkowych eksperymentów Andrew zaproponował prototyp rękawicy, aby wykorzystać różne właściwości każdej tkaniny. Zasadniczo w ich projekcie wykorzystano specjalne tkaniny do przewodzenia elektryczności w celu ogrzania różnych części rękawicy. Prototyp wykonany jest z włókna ananasa, które jest bardzo przewodzące i pochłania ciepło, oraz bawełny, która działa jak hamulec, aby zatrzymać ciepło zawarte między warstwami. Jest to pierwsza rzecz, którą duet stworzył, którą zamierzają wprowadzić na rynek.
„To, co naprawdę fascynuje tę współpracę”, mówi Fairbanks, „polega na tym, że nie spotkaliśmy się, aby stworzyć tę rękawicę. To był tylko jeden z tych wyników ubocznych oryginalnych badań. ”
Poprzez proces badań i rozwoju Andrew i Fairbanks eksperymentowali poza początkową ideą słonecznej tkaniny, która jest wciąż w toku, do kolejnej innowacji słonecznej, która obejmuje powlekanie każdego pojedynczego włókna PEDOT i łączenie elementów w celu utworzenia obwodu roboczego . Ta całkowicie oryginalna tkanina działa jak urządzenie tryboelektryczne, przekształcając ruch mechaniczny w moc. Duet skonstruował próbki 10 na 10 cali o różnych wzorach splotu, z których najbardziej wydajny generuje około 400 miliwatów mocy, po prostu machając nim jak małą flagą.
„Jeśli rzeczywiście wykonałeś standardową zasłonę do domu, coś o wymiarach 4 na 4 stopy, to jest to więcej niż wystarczająca moc, aby naładować smartfon”, mówi Andrew, zauważając, że materiał będzie potrzebował tylko bryzy wpadającej przez okno aby wygenerować ten poziom mocy.
Andrew i Fairbanks współpracują z kilkoma firmami z różnych branż, które są zainteresowane zastosowaniem tych pomysłów w przyszłych produktach. Andrew, na przykład, ma dotację Sił Powietrznych na produkcję namiotów słonecznych na użytek żołnierza i opracowuje wyposażenie zewnętrzne w Patagonii.
„Jestem naprawdę podekscytowany, ponieważ tkaniny są przenośne i lekkie”, mówi Fairbanks. „Mogą być rozmieszczone na pustyni dla myśliwego lub na polu do zastosowań medycznych lub wojskowych w sposób, w jaki nigdy nie mogłyby istnieć duże, niezgrabne panele słoneczne.”
Fairbanks widzi nieograniczony potencjał. Mówi, że tkanina słoneczna może być używana do setek przyszłych zastosowań, w tym parasoli, markiz i schronisk dla uchodźców, natomiast tkanina tryboelektryczna może być stosowana w sprzęcie domowym lub sprzęcie sportowym, takim jak koszule do biegania i buty do tenisa - wszystko, co wymaga ruchu od tego czasu w ten sposób wytwarza energię.
„Jestem podekscytowany, że mogę w 100 procentach funkcjonować i wyjść na świat”, mówi Fairbanks.
