Ein flexibles Gerät, das thermische Energie zur Versorgung von tragbarer Elektronik nutzt

03.08.2022 - USA

Tragbare elektronische Geräte, von Gesundheits- und Fitness-Trackern bis hin zu Virtual-Reality-Headsets, gehören zu unserem Alltag. Aber es ist eine Herausforderung, Wege zu finden, diese Geräte kontinuierlich mit Strom zu versorgen.

Forscher der University of Washington haben eine innovative Lösung entwickelt: das erste flexible, tragbare thermoelektrische Gerät seiner Art, das Körperwärme in Strom umwandelt. Dieses Gerät ist weich und dehnbar, aber dennoch robust und effizient - Eigenschaften, die nur schwer miteinander zu kombinieren sind.

"Es ist ein 100-prozentiger Gewinn, wenn wir Wärmeenergie ernten, die sonst an die Umgebung abgegeben würde. Da wir diese Energie für selbstversorgte Elektronik nutzen wollen, ist eine höhere Leistungsdichte erforderlich", erklärt Mohammad Malakooti, UW-Assistenzprofessor für Maschinenbau. "Wir nutzen die additive Fertigung, um dehnbare Elektronik herzustellen, ihre Effizienz zu erhöhen und ihre nahtlose Integration in Wearables zu ermöglichen und gleichzeitig grundlegende Forschungsfragen zu beantworten.

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Selbst nach mehr als 15.000 Dehnungszyklen bei 30 % Dehnung bleibt der Prototyp der Forscher voll funktionsfähig, eine äußerst wünschenswerte Eigenschaft für tragbare Elektronik und weiche Robotik. Das Gerät weist außerdem eine 6,5-mal höhere Leistungsdichte auf als bisherige dehnbare thermoelektrische Generatoren.

Um diese flexiblen Geräte herzustellen, druckten die Forscher 3D-Verbundwerkstoffe mit speziellen funktionellen und strukturellen Eigenschaften in jeder Schicht. Das Füllmaterial enthielt flüssige Metalllegierungen, die eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweisen. Diese Legierungen beheben die Einschränkungen bisheriger Geräte, wie z. B. die mangelnde Dehnbarkeit, die ineffiziente Wärmeübertragung und den komplexen Herstellungsprozess.

Das Team bettete außerdem hohle Mikrokugeln ein, um die Wärme zu den Halbleitern in der Kernschicht zu leiten und das Gewicht des Geräts zu verringern.

Die Forscher zeigten, dass sie diese Geräte auf dehnbare Textilien und gekrümmte Oberflächen drucken können, was darauf hindeutet, dass die Geräte in Zukunft auch auf Kleidung und anderen Gegenständen angebracht werden könnten. Das Team ist begeistert von den zukünftigen Möglichkeiten und realen Anwendungen der tragbaren Elektronik.

"Ein einzigartiger Aspekt unserer Forschung ist, dass sie das gesamte Spektrum abdeckt, von der Materialsynthese bis hin zur Herstellung und Charakterisierung der Geräte", sagt Malakooti, der auch am Institut für Nanotechnologie der UW forscht. "Das gibt uns die Freiheit, neue Materialien zu entwerfen, jeden Schritt des Prozesses zu entwickeln und kreativ zu sein."

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