Çok küçük çapta enerji üretebilen cihazların yapımı ile, diyabet hastalarının kan şekerini sürekli ölçen, vücuda takılabilir biyo algılayıcılar, köprülerde oluşabilecek gerilimleri algılayan algılayıcılar, zehirleri algılayabilen çevre algılayıcıları yapımı mümkün olabilecek ve tüm bu cihazlar pile ihtiyaç duymadan çalışacak.
Araştırmacılar bu minyatür cihazlar için enerji üretecek jeneratörler için değişik yöntemler denemekteler. Bu yöntemlere örnek verecek olursak, yol kenarlarında oluşan titreşimleri, sıcaklık farklılıklarını, biyokimya ve ultrasonik dalgalar ve duyabileceğimiz ses dalgaları gibi dış enerji kaynaklarını sayabiliriz. Nano boyutta cihazların en önemli avantajları, nanowatt, mikrowatt gibi çok düşük seviyede güç ile çalışabilmeleridir. Bir an için insan vücudundan sağlanabilecek güç kaynaklarını düşünelim; mekanik enerji, ısı enerjisi, titreşim enerjisi, kimyasal enerji ( glukoz olarak) ve dolaşım sisteminin hidrolik enerjisi. Bu enerji çeşitlerinin küçük bir miktarının elektrik enerjisine dönüştürülmesi birçok minyatür cihazın çalışması için yeterlidir.
Minyatür cihazlara enerji sağlama çalışmaları 1990 yılında MIT Laboratuarlarında başlar. Örneğin piezoelektrik etkisiyle yürürken elektrik üreten ayakkabı gibi. Bu yöntemde belli kristallerin gerilim altında voltaj üretmesi özelliğinden faydalanılır. Daha sonra bilim insanları çok daha küçük enerji ile çalışabilen jeneratörleri bulmalarını sağladı. Bunlara MEMS adı verildi. Silikon esaslı bu cihazların boyutları mikron ( metrenin milyonda biri), (milimetre metrenin binde biri) seviyelerinde olup araçlarda gaz pedallarına, hava yastığı sistemlerinde ve mürekkep püskürtmeli baskı makinelerinde kullanılmaya başlandı. Biyoloji ve kimya da enerji üretimi için insanlığa hizmet vermeye başladı. Son yıllarda bilim insanları piezoelektrik ve elektromanyetik algılayıcıları kullanarak titreşim esaslı jeneratörler geliştirdi. Elektromanyetik mikro jeneratör hareketli bir mıknatıs veya sarmalı kullanarak alternatif akım devresi yaratır. Bazı mikro jeneratörler MEMS boyutlarında üretilmiş olup yapımı için 1-75 cm3 hacım yeterli olup, 50 Hertz-5kHz titreşim limitleri arasında çalışırlar. Tipik bir piezoelektrik titreşim esasıyla çalışan jeneratör 2 katmanlı kurşun zirkonyum titanat olup tıpkı bir yüzme havuzu trampleni gibi tek uçtan bağlantılıdır. Yerçekimiyle aşağı doğru büküldüğünde, üst piezolelektrik katman esneme gerilimine, alt katman ise sıkışma gerilimine maruz kalır. Sonuç olarak kiriş boyunca + ve – voltaj oluşur. Kütle ileri geri titreştiğinde ise alternatif akım yaratılmış olur. Ancak bu boyutlarda jeneratör yeterince büyük olduğu için yerçekimi kuvveti kütlenin titreşiminde önemli bir parametredir.
Günümüzde Georgia Teknoloji Enstitüsü nano boyutlarda piezoelektrik güç üretimini hedeflemekte. Boyut nano seviyesine inince bazı şeyler değişmekte, yerçekimi kuvvetinin etkisi kalmamakta, kimyasal bağlar, moleküler arası çekim daha ön plana çıkmaktadır.
Yerçekimi Kuvvetinin önemli olmadığı bir ortam
Nano boyutlarda yapılan piezoelektrik kütleye yerçekimi kuvvetinin hiçbir etkisi olmaz ve cihaz çalışmaz. Cihazın kendi kendine çalışabilmesi için değişik metotlara ihtiyaç duyulur. Çalışma grubumuz mekanik enerjiyi ( vücut hareketleri, kasların gerilmesi), titreşim enerjisini ( akustik, ultrasonik dalgalar) ve hidrolik enerji ( kan dolaşımı ve diğer vücut sıvıları) gibi enerjileri elektrik enerjisine dönüştürmek için yeni buluşlar geliştirdi.
1990 Yılının sonlarında araştırmalarımı karbon nano tüplere yoğunlaştırdım. Tek bir nano tüpün mekanik, elektriksel alan yayma özelliklerini mikroskop altında ölçmek için birkaç teknik geliştirdik. Ancak, nano tüpün elektriksel özelliklerini kontrol altına alamadık. Metal oksitlerin farklı bir dünya olduğunu kavramış oldum- Nano boyutta yapıları neden keşfedemeyelim ki? 2000 Yılında argon gazı olan bir ortamda Çinko gibi bir metalin oksidini 900-1200 0C ye ısıtmakla elde edilen nano kuşaklar ve nano teller ile işe başladım. Çalışmalarımız dizili çinko oksit nano teller üzerine odaklandı. Bu tellerin her biri altıgen şekilde kolonlar halinde kristaller olup katı iletken üzerinde standart buhar-sıvı-katı süreciyle küçük tüp fırınlarda elde edilmiştir. Katalizör vazifesi gören altın nano parçacıkları safir katman üzerinde topladık. Çinko oksit tozları fırında ısıtılırken ortamdan argon gazı geçirdik ve nano teller altın parçacıklar altında oluşmaya başladı. Nano tellerin genişliği 30-100 nanometre olup uzunlukları 1-3 mikrondur. Ağustos 2005 de tellerin elektromekanik özelliklerini ölçerken mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürme fikri akılma geldi. AFM ( Atomic Force Microscope) kullanarak bazı voltaj değer pikleri gözlemledik, ama ne olduklarından emin değildik. O yılın kasım ayına kadar yaptığımız sistematik çalışmalarda bu voltajın çinko oksidin piezoelektrik etkisi olduğunu anladık. Bundan sonraki adım ise tek bir nano telin elektrik akımı çıkışı sağlayan süreci saptamaktı. Çinko oksidin piezoelektrik ve yarı iletken özellikleri vardır. Bu özellikler sayesinde nano teller üzerinde piezoelektrik akım yarattık ve topladık. Piezoelektrik etki nano tel hacmi içinde elektrik alanı oluşturmuş, telin bükülen ve genleşen yüzeyleri arasında + ve – voltaj oluşturmuştu. Uygulamayı pratiğe geçirmek için nano jeneratörümüzün hepsinin birden aynı anda elektrik üretip minyatür cihazlara gönderebilecek bir seri nano tellere gereksinimi vardı. Elde edilen bu enerji pil gerektirmeyecek, titreşim veya dalga enerjilerinden dönüştürülmüş olmalıydı. Bundan sonraki adım ise nano jeneratörün gücünün arttırılmasıydı. Üç hedefi sağlamamız gerekiyordu. AFM kullanımını ortadan kaldırmak, elektrik enerjisini aynı anda sürekli üretebilecek birçok nano tel yapmak ve ultrasonik dalgalar gibi endirekt bir dalga ile nano telleri uyarmak. AFM nin yerini alacak kabarık çizgi şeklinde elektrot kullanmak suretiyle yeni bir metot geliştirdik. Deneysel düzeneğimizde sürekli doğru akımın elde edildiği ilk piezoelektrik jeneratörümüz çalışmış oldu. Cihaz bir dizi paralel çinko oksit nano teller ile yüzeye bağlanmış platin kaplı silikon elektrot içeriyordu. Elektrotu platin ile kaplamakla iletkenliği arttırmış ve akımı metal yarı iletkenden sadece bir yöne akmasını sağlayarak diod gibi davranması da sağlanmıştı. Elektrot nano tel düzeneği üstüne mesafesi kontrol edilebilir şekilde yerleştirildi ve yana doğru da hareket edebilecekti. Böylece nano teller yan yana bükülebilecekti.
Ocak 2007 den bu yana nano jeneratörü geliştirme çabası içine girdik. Başlangıçta çinko oksit nano tellerin oluşturulduğu seramik veya yarı iletken katmanlar sert ve kırılgan olduğundan kaslara veya eklemlere yerleştirilebilecek katlanabilen veya bükülebilen güç kaynağı olarak kullanılamazlardı, burada biyolojik uyumlu iletken polimerler devreye girer. Yaptığımız testler birçok esnek plastiklerin çinko oksit nano tel elde edilmesine uygun olduğunu gösterdi. Bu plastikler portatif ve esnek elektrikli eşya endüstrisinde kullanılmaya başlandı. Günümüzde nano jeneratörün servis ömrü 50 saat. En önemli sınırlayıcı etken cihaz içindeki nano tel düzeneği ve üst kısımdaki elektrotların yerleşimindeki sorunlar. Eğer elektrotlar teller üstüne hafif baskı yaparsa akım üretilemiyor. Amacımız, cihazın kompaktlaştırılması sorununu çözmek.
Nano teller belki hiçbir zaman evlerimize veya el lambalarımıza enerji sağlamayacak ancak her dakikada, bir saniye bilgi aktarabilecek algılayıcılar için mükemmel bir enerji kaynağı olacak. Gelecek yıllarda nano jeneratörler hareket eden araçların titreşimlerinden, lastiklerdeki hava basıncı farklılığından hatta kamplarda kurduğumuz çadırın tentesinin rüzgârda titreşiminden enerji toplayacaklar. Bir düşünün etrafımızda ne kadar çok enerji kaynağı var!
Vücudumuz ne kadar enerji üretiyor?
Kan Dolaşımı
0,93 Watt mekanik enerji
0,16 Watt elektrik enerjisi
0,16 Watt elektrik enerjisi / bir hareket
Nefes Verme
1,00 Watt Mekanik enerji
0,17 Watt elektrik enerjisi
1,02 Watt elektrik enerjisi / bir hareket
Nefes Alma
0,83 Watt mekanik enerji
0,14 Watt elektrik enerjisi
0,84 Joule elektrik enerjisi / bir hareket
Kollar
3,00 Watt mekanik enerji
0,51 Watt elektrik enerjisi
2,25 Joule elektrik enerjisi
Yürüyüş
67 Watt mekanik enerji
11,39 Watt elektrik enerjisi
18,90 Joule elektrik enerjisi / bir hareket
Klavye ile yazı yazmak
6,9-19 mW mekanik enerji
1,2-3,2 mW mekanik enerji
226-406 mJ elektrik enerjisi / bir hareket
Ortamdan enerji toplayıcılar
Doğadan enerji toplayan en etkileyici süreç bu işi yaşamak için yapmak zorunda olan mikroorganizmalar. Denizde yaşayan mikroorganizma Desulfuromonas Acetoxidans deniz tabanında başka organizmalar tarafından oluşturulan asetat katmanından grafit elektrotlara elektron taşır. Sonuç olarak sudan diğer bir elektrota elektrik akımı geçmiş olur. Bu tip çökelti bataryalar sayesinde toksik atıklar biyolojik olarak temizlenebilir. Aynı şekilde mikroorganizmaların katalitik faaliyetleriyle farklı karbonhidratlardan ve çökeltilerden elektrik üretilebilecek.
2004 Yılında Hindistan’da organik madde ve metabolizma süreci kullanılarak biyolojik yakıt pilleri yapıldı ve elektrik enerjisi elde edildi. Vücudumuzdaki hücre metabolizması sayesinde yeterli enerji elde edilip ilaç dozlama sistemleri, kalp atış düzenleyicileri ve teşhis cihazları çalıştırılabilecek.
Diğer bir uygulama Seebeck etkisine dayanan termoelektrik jeneratör. Temeli birbirine temas eden farklı sıcaklıkta farklı iki metal arasında elektrik potansiyeli oluşmasıdır. Sıcaklık ölçer termokopullar bu esasa göre çalışır. Termoelektrik heyecanlı bir çalışma alanı ancak cihaz iki ucu arası yeterli sıcaklık farkı oluşabilmesi için jeneratörler oldukça büyüktür. Bu nedenle nano teknolojide uygulanamasalar da bazı ticari ürünlerde uygulama alanı bulmuşlardır. 1998 de piyasaya çıkan Seiko’nun Termik kol saati kullanıcı vücut sıcaklığı ile ortam sıcaklığı farklılığından elde edilen mikro watt seviyesinde enerji ile çalışır.
Kaynak: Scientific American ( Ocak 2008)
Yazar. Zhong Lin Wang
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder