Ein druckbetriebener elektrischer Energiegenerator, der einen Mikro nutzt

Nov 28, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 16827 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Wir haben ein druckbetriebenes Energiegewinnungsgerät mit Wasser demonstriert, das über einen Glasfilter mit porösen Kanälen verfügt. Zur Herstellung des Glasfilters (2 cm Durchmesser, 3 mm Dicke) verwendeten wir Pulversintern, indem wir ein Pulver aus Borosilikatglaspartikeln in eine Kohlenstoffform packten und dieses dann bei 700 °C unter Druck thermisch verschmolzen. Im Experiment mit konstanter Durchflussrate betrug der optimale durchschnittliche Porenradius des Filters für die Stromerzeugung 12 μm. Mit diesem Filter wurde eine Leistung von 3,8 mW (27 V, 0,14 mA, 0,021 % Energieeffizienz) bei einer Wasserströmungsgeschwindigkeit von 50 mm/s erzeugt. Im Experiment mit konstantem Druck wurde ein Stromgenerator mit einer Fußpresse mit einem Gewicht von 60 kg (830 kPa) und 50 ml Wasser ausgestattet. Der optimale durchschnittliche Porenradius für die Stromerzeugung betrug in diesem Experiment 12 μm und es wurde eine Leistung von 4,8 mW (18 V, 0,26 mA, 0,017 % Energieeffizienz) mit einer Dauer von 1,7 s erzeugt. Das war genug Strom für eine direkte LED-Beleuchtung und die Kondensatoren konnten genug Energie speichern, um einen Ventilator zu drehen und einen drahtlosen Kommunikator zu betreiben. Unser druckbetriebenes Gerät eignet sich zur Energiegewinnung aus langsamen Bewegungen wie bestimmten menschlichen physiologischen Funktionen, z. B. Gehen.

Energy Harvesting ist eine vielversprechende Technologie zur Stromversorgung zahlreicher kleiner elektronischer Geräte in der zukünftigen Internet-of-Things-Gesellschaft (IoT)1. Zur Energiegewinnung werden üblicherweise Licht, thermische und mechanische Energien genutzt. Unter ihnen ist die mechanische Energiegewinnung, bei der elektrische Energie aus mechanischen Schwingungs- und Vibrationsbewegungen gewonnen wird, jedem recht vertraut und es können große Energiemengen gewonnen werden2,3. Beispielsweise wurden elektromagnetische Induktionsgeräte4,5,6, piezoelektrische Geräte (elektromechanisches Material)7,8,9,10,11 und elektrostatische Geräte12,13,14 entwickelt und verwendet. Allerdings weisen miniaturisierte elektromagnetische Induktionsgeräte im Allgemeinen einen geringen Wirkungsgrad auf, was unerwünscht ist. Piezoelektrische Geräte oder elektrostatische Geräte können miniaturisiert werden, aber die Umwandlungseffizienz nimmt ab, wenn die Vibrationsfrequenz klein ist (z. B. weniger als 10 Hz). Daher ist es für diese Geräte schwierig, die regelmäßigen langsamen physiologischen Bewegungen eines Menschen, z. B. das Gehen, vollständig auszunutzen.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die Phänomene, die in einem druckbetriebenen Gerät zur Erzeugung elektrischer Energie durch die Wechselwirkung zwischen reinem Wasser und einem oberflächengeladenen Feststoff (einem Glasfilter) auftreten. Das detaillierte Prinzip wird im Folgenden erläutert. Dieser Ansatz ist für Schwingungen mit geringer Frequenz nützlich, da die Energieerzeugung so lange anhält, wie Wasser im Gerät vorhanden ist. Es gibt einige Berichte über auf diesem Prinzip basierende Stromerzeugungsgeräte, die glasbeschichtetes Silizium15, Metall-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe16 oder Zellulose17 verwenden. Aufgrund ihrer Zerbrechlichkeit ist es jedoch schwierig, einen hohen Druck auf diese Materialien auszuüben, und daher ist die Energie, die sie erzeugen können, nicht so hoch.

Andererseits ist Glas hart und robust und es kann ein hoher Druck darauf ausgeübt werden. Es gab Berichte über die durch Wasserdruck angetriebene Stromerzeugung mithilfe von Glaskanälen, die durch Top-Down-Mikro- oder Nano-Herstellungsverfahren hergestellt wurden18,19,20,21. Allerdings sind solche Stromerzeugungsgeräte nicht leistungsstark genug für die Energiegewinnung, da der erzeugte Strom pro Kanal im Allgemeinen sehr klein ist (Picoampere-Größenordnung).

Basierend auf einer Untersuchung und Optimierung des Geräteherstellungsprozesses haben wir poröses Glas verwendet, um die Anzahl der Porenkanäle zu erhöhen. Obwohl früher poröses Glas zur Stromerzeugung verwendet wurde22, ist die Leistung immer noch gering, da die Herstellung eines porösen Glasfilters nicht für die Stromerzeugung optimiert wurde. Es gibt zahlreiche Technologien zur Herstellung vieler Arten von mikrofluidischen Geräten auf Glasbasis23. Basierend auf diesen Konzepten und Technologien bestand unser Ziel in dieser Studie darin, den Einfluss der Porengröße auf die Erzeugungsleistung zu untersuchen und ein tatsächliches Energiegewinnungsgerät zu entwickeln, das aus einem porösen Glasfilter und einer Fußpresseinheit besteht, um die Kraft des Fußes eines Experimentators zu übertragen Drücken Sie auf den Stromgenerator, um die tatsächliche Energiegewinnung zu demonstrieren.

Eine ähnliche Methode zur Stromerzeugung, die osmotische Stromerzeugung durch Nanoporenmembranen, ist bekannt24. Diese Methode gewinnt Energie aus dem Mischen von Salzlösungen unterschiedlicher Konzentration unter Verwendung eines nanoporösen Materials wie Kohlenstoff25, Aluminiumoxid26 oder Siliziumnitrid27. Der wichtige Unterschied besteht darin, dass die osmotische Energieerzeugung einen Ionenkonzentrationsgradienten erfordert und kein externer Druck verwendet werden kann.

Das Prinzip der Stromerzeugung durch Wasserdruck ist in Abb. 1a dargestellt. Es wird angenommen, dass reines Wasser in die nano- oder mikrogroßen Glaskanäle fließt. Wassermoleküle werden durch thermisches Gleichgewicht teilweise dissoziiert und zu Protonen (H+) und Hydroxylionen (OH−) ionisiert. Wenn Wasser in kleine Kanäle eingeleitet wird, kann das erzeugte H+ leicht in die Kanäle eindringen, für OH− jedoch nicht. Dies liegt daran, dass die Oberfläche des Glaskanals aufgrund von Silanolgruppen auf der Oberfläche negativ geladen ist, nachdem H+-Spezies in das Wasser gelöst wurden. Dadurch steigt die H+-Konzentration im Auslass, während die OH−-Konzentration im Einlass zunimmt. Der Glaskanal fungiert nämlich als Ionenfilter, wenn die Kanalgröße sehr klein ist.

Aufbau und Prinzip des druckbetriebenen Stromgenerators unter Verwendung eines porösen Glasfilters. (a) Prinzip der Stromerzeugung durch Druck in einem Glaskanal im Mikro- bis Nanomaßstab. Die Phänomene für diese oberen und unteren Schemata treten gleichzeitig auf. In Gleichungen verwendete Parameter. (1) und (2) sind ebenfalls definiert. (b) Querschnittsdesign des Prototyp-Stromgenerators.

In dieser Situation erfolgt die Übertragung elektrischer Energie durch die elektronische Verbindung von Einlass und Auslass über ein Kabel. An der Einlasselektrode bildet OH− Sauerstoff- und Wassermoleküle und erzeugt Elektronen. An der Austrittselektrode nimmt H+ Elektronen auf und bildet Wasserstoffmoleküle. Durch diese Reaktionen fließt Strom. Nachdem die Ionen reagiert und in den Gasmolekülgenerationen verbraucht wurden, werden aus dem verbleibenden Wasser neue Ionen erzeugt, um das thermische Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Wenn die erzeugten Wasserstoff- und Sauerstoffgasmoleküle durch eine katalytische Reaktion zu Wasser rekombiniert werden können, kann dieser Reaktionszyklus kontinuierlich ablaufen und die Gase könnten auch als Energiequelle genutzt werden. Tatsächlich sind die erzeugten Mengen an Wasserstoff- und Sauerstoffgasen nicht groß (typischerweise unter einer Nanogramm-Größenordnung für einen Reaktionszyklus, der mehrere Minuten dauert). Daher haben wir in diesem Bericht elektrischen Strom verwendet, der von einem Ionenfilter erzeugt wurde.

Theoretisch wird die Erzeugungsspannung (V) durch Gleichung beschrieben. (1), die Helmholtz-Smoluchowski-Gleichung28:

Dabei ist ε die Permittivität, ξ das Zetapotential, µ die Viskosität, K die Wasserleitfähigkeit und ΔP der angelegte Druck. Da ε, ξ, µ und K feste Parameter sind, die von den Oberflächen- und Wassereigenschaften bestimmt werden und nichts mit der Kanalgeometrie zu tun haben, ist V einfach proportional zu ∆P. Außerdem wird ΔP durch Gleichung beschrieben. (2), das Hagen-Poiseuille-Gesetz29:

Dabei ist D der relative Kanaldurchmesser, L die Kanallänge und Q die Durchflussrate. Aus Gl. (1) und (2) ist klar, dass D kleiner sein muss, um die Spannung zu verbessern, wenn Q konstant ist. Um die Stromerzeugungsleistung zu verbessern, sollten parallele kleinere Kanäle mit möglichst großer Fläche ausgelegt werden. In diesem Zusammenhang ist die Verwendung von porösem Glas eine rationale Designentscheidung.

Abbildung 1b zeigt den Entwurf eines Prototyps eines Stromgenerators. Mithilfe eines Gummidichtungsrings wurde ein poröser Glasfilter (2 cm Durchmesser und 3 mm Dicke) fest in einen handelsüblichen Filterhalter eingepasst, der leicht modifiziert worden war (z. B. wurde die Öffnung für die Schlauchbefestigung eingeschnitten, um sie zu vergrößern). Über und unter dem Glasfilter wurde eine Kupfernetzelektrode angebracht. Die Einlass- und Auslassrohre wurden mit Epoxidkleber an den in der Abbildung angegebenen Stellen befestigt.

Wir haben zunächst den Herstellungsprozess von porösen Glasfiltern etabliert und dann die Struktur für verschiedene Herstellungsbedingungen untersucht. Die Herstellungsdetails sind in Abb. 2a und im Abschnitt „Methoden“ beschrieben. Wir verwendeten Pulversintern, indem wir ein Pulver aus Borosilikatglaspartikeln in eine Kohlenstoffform packten und dieses unter Druck, der von einem Gewicht ausgeübt wurde, thermisch verschmolzen, wie in Abb. 2b–d gezeigt. Obwohl die Laserfertigung30,31,32 üblicherweise zur Herstellung von Glasfiltern verwendet wird, ist das Sintern einfacher und liefert robuste Filter mit einer großen Anzahl von Kanälen. Es wurde eine Filterplatte aus Borosilikatglas (Durchmesser 2 cm) hergestellt (Abb. 2e). Normalerweise wird für eine dichte Verbindung durch thermisches Glasschmelzen eine Temperatur von 750 °C verwendet33,34. Bei dieser Temperatur schmolzen die Borosilikatglaspartikel jedoch vollständig, verfärbten sich grau und es konnte kein Wasser mehr hindurch. Basierend auf unseren bisherigen Erfahrungen35,36 lassen sich Glas und Glas auch bei niedrigerer Temperatur durch Druck miteinander verbinden und wir haben hier die Sintertemperaturen von 680–720 °C verwendet. Unter diesen Bedingungen erhielten wir gute Glasfilter ohne Verfärbung aufgrund von Zersetzung. Die Beobachtung mit einem Mikroskop zeigte jedoch, dass der Rand der Glaspartikel bei 710 und 720 °C leicht geschmolzen war (Abb. 2f). Außerdem war der Filter beim Sintern bei 680 und 690 °C recht zerbrechlich.

Herstellung und Strukturuntersuchung poröser Glasfilter. (a) Herstellungsverfahren für Glasfilter. (b) Kohlenstoffform zur Herstellung von Glasfiltern. (c) Ein Loch in der Form wird mit Glaspulver gefüllt. (d) Aufbau in einem Ofen mit einem Aluminiumoxidgewicht. (e) Hergestellter Glasfilter. (f) SEM-Bilder von porösen Glasfilteroberflächen nach dem Sintern bei der oben in jedem Bild angegebenen Temperatur. (g) Ergebnisse der Quecksilberporosimetrie der bei verschiedenen Temperaturen gesinterten porösen Glasfilter. Schwarze und rote Linien zeigen die Verteilung des Porenvolumens pro Masse (V) und des Porenradius (R) (Ableitung von V durch R). (h) REM-Bilder der porösen Glasfilteroberflächen, die bei 700 °C unter Verwendung von gemahlenem Glaspulver und der oben in jedem Bild angegebenen Mahlzeit gesintert wurden. (i) Ergebnisse der Quecksilberporosimetrie der porösen Glasfilter, die bei 700 °C unter Verwendung von gemahlenem Glaspulver und der oben in jedem Bild angegebenen Mahlzeit gesintert wurden. Maßstabsbalken werden in den REM-Bildern von (f) und (h) angezeigt.

Die Porengrößenverteilung wurde durch Quecksilberporosimetrie für Filter gemessen, die bei verschiedenen Sintertemperaturen hergestellt wurden, und die Ergebnisse sind in Abb. 2g dargestellt. Der Peak in der Porengrößenverteilung war bei verschiedenen Temperaturen nicht so unterschiedlich. Bei allen Temperaturen lag der Peak bei 20 μm (durchschnittlicher Porenradius). Allerdings verringerte sich die Spitzenhöhe, je höher die Temperatur war. Dies bedeutete, dass die Poren bei Erhöhung der Sintertemperatur mit geschmolzenem Glas gefüllt wurden. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse und um eine Zerbrechlichkeit zu vermeiden, kamen wir zu dem Schluss, dass die optimale Sintertemperatur 700 °C betrug. Wir nutzten diese Bedingung, um als nächstes den Einfluss der Partikelgröße bei der Glasfilterherstellung zu untersuchen.

Um die Glaspartikelgröße zu kontrollieren, wurden die Partikel gemahlen. Die Rasterelektronenmikroskopbilder (REM) und Durchmesserhistogramme gemahlener Partikel mit verschiedenen Mahlzeiten sind in Abb. S1 dargestellt. Der durchschnittliche Feret-Durchmesser, definiert als der Abstand zwischen zwei parallelen Ebenen, die das Objekt senkrecht zu dieser Richtung begrenzen, konnte zwischen 4 und 150 μm gesteuert werden.

Die gemahlenen Partikel wurden zur Herstellung von Glasfiltern verwendet und bei 700 °C gesintert. Auf den SEM-Bildern (Abb. 2h) konnten wir erkennen, dass die meisten Partikel ihre Form beibehielten, obwohl beobachtet wurde, dass kleine Partikel insbesondere bei längeren Mahlzeiten teilweise geschmolzen waren. Dies stimmte mit den Ergebnissen der Porengrößenverteilung überein (Abb. 2i). Bei Mahlzeiten von 0, 5, 10, 20 und 30 Minuten gab es Peaks bei 20, 12, 8, 5 bzw. 1 μm (durchschnittlicher Porenradius). Bei der Mahlzeit von 40 Minuten war es schwierig, einen Peak zu finden. Dies deutete darauf hin, dass die Porengröße mit zunehmender Mahldauer kleiner wurde, das Porenvolumen (Peakhöhe) jedoch aufgrund des Schmelzens der kleinen Partikel abnahm. Insbesondere bei Mahlzeiten von 30 und 40 Minuten lagen die Porengrößen im Nanometerbereich und die Peakhöhe war sehr gering. Diese Eigenschaften stehen in engem Zusammenhang mit der Leistung der Stromerzeugung, die wir als Nächstes untersucht haben.

Mithilfe der hergestellten porösen Glasfilter demonstrierten wir den Stromgenerator und untersuchten den Effekt der Porengröße mithilfe eines Wasserzufuhrsystems mit konstanter Geschwindigkeit (Abb. 3a–c). Der Stromgenerator wurde konstruiert, indem ein Glasfilter in einen modifizierten handelsüblichen Filterhalter eingesetzt und die Elektroden oberhalb und unterhalb des Filters eingesetzt wurden (Abb. S2). Alle Experimente mit dem Wasserabgabesystem wurden bei Raumtemperatur durchgeführt. Mit einem Milli-Q-System hergestelltes entionisiertes Reinwasser wurde in den Generator eingeleitet und eine Spannung erzeugt (Abb. 3d). Auch eine wiederholte Spannungserzeugung wurde bestätigt. Es wurde ein leichter Spannungsabfall beobachtet, der jedoch wahrscheinlich daran lag, dass wir das Wasser recycelt haben. Die Maschenzahl und der Abstand zwischen dem Glasfilter und der Maschenelektrode wurden optimiert und diese Ergebnisse sind in Abb. S3 zusammengefasst.

Charakterisierung der Stromerzeugungsleistung von hergestellten Glasfiltern. (a) Aufbau zur Charakterisierung der Glasfilter. Über das Wasserversorgungssystem wird Wasser in den Generator eingeleitet und über Rückschlagventile umgewälzt. Die gemessene Spannung wird von einem PC über eine I/O-Karte aufgezeichnet. (b) Foto des Generators, ausgestattet mit Glasfilter und Elektroden. (c) Foto des Wasserversorgungssystems. (d) Spannungszeitverlauf der wiederholten Stromerzeugung unter Verwendung des bei 700 °C gesinterten Filters und einer Mahlzeit von 5 Minuten Glaspulver. Die Geschwindigkeit des Wasserzuführungssystems betrug 20 mm/s. (e) Spannungs-Zeitverläufe unter Verwendung der porösen Glasfilter, die bei der oben in jedem Diagramm angegebenen Temperatur gesintert wurden. Jedes Diagramm zeigt die Spannung während 3 Presszyklen bei Geschwindigkeiten des Wasserzufuhrsystems von 4, 6, 8, 10, 20, 30, 40 und 50 mm/s. (f) Spannung, Strom und geschätzte Leistung der Generatoren im Vergleich zur Sintertemperatur der Glasfilter bei einer Geschwindigkeit des Wasserversorgungssystems von 50 mm/s. Spannungs- und Stromdiagramme repräsentieren den Durchschnitt ± SD (n = 3). (g) Spannungs-Zeitverläufe unter Verwendung der bei 700 °C gesinterten porösen Glasfilter, wobei der durchschnittliche Porenradius oben in jedem Diagramm angegeben ist. Die Wasserzufuhrbedingungen waren die gleichen wie in (e). (h) Spannung, Strom und geschätzte Leistung der Generatoren im Vergleich zum durchschnittlichen Porenradius. Spannungs- und Stromdiagramme repräsentieren den Durchschnitt ± SD (n = 3).

Wie in Abb. 3e und f dargestellt, war die Spannung proportional zur Geschwindigkeit des Wasserflusses. Bei gleicher Geschwindigkeit war die Leistung der Spannungserzeugung bei den bei 680, 690 und 700 °C gesinterten Filtern nahezu gleich, nahm jedoch bei den bei 710 und 720 °C gesinterten Filtern ab. Dies führte dazu, dass die kleinen Poren bei höheren Sintertemperaturen verschwanden. Der Strom wurde aus der Steigung der Spannung gemessen, die während des Wasserflusses in einem Kondensator gespeichert wurde (Abb. S4). Dieser erzeugte Strom hatte eine ähnliche Tendenz wie die Spannung, obwohl die Spitzenleistung bei dem bei 700 °C gesinterten Filter beobachtet wurde. Dies lag einfach daran, dass die Anzahl der kleinen Poren mit zunehmender Temperatur bis zu 700 °C zunahm, bei höheren Temperaturen waren die Poren jedoch fast vollständig geschlossen. Die aus dem Produkt aus Spannung und Strom berechnete Spannung, Stromstärke und Leistung wiesen Spitzenwerte (11 V, 74 μA bzw. 0,80 mW) für den bei 700 °C gesinterten Filter auf. Aufgrund dieses Ergebnisses kamen wir zu dem Schluss, dass die Sintertemperatur von 700 °C den optimalen Filter für den Stromgenerator ergab.

Anschließend wurden die Filter aus gemahlenen, bei 700 °C gesinterten Partikeln für das Stromerzeugungsexperiment verwendet. Wie in Abb. 3g und h gezeigt, lieferte der mit einer Mahlzeit von 5 Minuten (12 µm durchschnittlicher Porenradius) hergestellte Filter Spitzenwerte für Spannung, Strom und Leistung von 27 V, 0,14 mA bzw. 3,8 mW.

Wir haben auch die Leistung des Stromgenerators anhand der Ergebnisse der Kraftmessung im Detail analysiert, um die Datenvalidität der wasserdruckbasierten Erzeugungsmethode zu bewerten. Die durch das Wasserabgabesystem auf die Spritze ausgeübte Kraft und der Druck wurden mit einem Kraftaufnehmer gemessen und die Ergebnisse sind in Abb. S5 dargestellt. Die Kraft war im Allgemeinen proportional zur Geschwindigkeit und Filterfeinheit.

Aufgrund dieser Ergebnisse war es vernünftig, dass die erzeugte Spannung für Filter, die ohne Mahlen (20 μm durchschnittlicher Porenradius) hergestellt wurden, auf 5 Minuten Mahlzeit (12 μm durchschnittlicher Porenradius) anstieg, entsprechend der Druckerhöhung gemäß Gleichungen. (1) und (2), aber die erzeugte Spannung nahm bei Filtern, die mit längeren Mahlzeiten hergestellt wurden, aufgrund des Schließens der Poren ab. Insbesondere bei Mahlzeiten von 30 Minuten oder länger (5 μm oder kleinerer durchschnittlicher Porenradius) konnten die Filter dem Druck nicht standhalten und brachen während des Experiments. Wir hatten also keine Daten für diese Bedingungen. Ein weiterer Grund könnte darin liegen, dass sich die elektrischen Eigenschaften von Wasser in Kanälen im Submikromaßstab von denen im Großraum unterscheiden37,38. Unter Berücksichtigung einer auf das Wasser ausgeübten Kraft von 350 N und der Spritzendruckgeschwindigkeit (50 mm/s) wurde die maximale Leistungseffizienz bei Verwendung eines Filters, der mit einer Mahlzeit von 5 Minuten (12 μm durchschnittlicher Porenradius) hergestellt wurde, zu 0,021 % berechnet.

Obwohl der Stromgenerator im vorherigen Abschnitt überprüft wurde, hatten wir Bedenken, dass der Strom durch im Borosilikatglas enthaltene Verunreinigungen erzeugt wurde. Um zu bestätigen, dass die Erzeugung nur durch die Wechselwirkung zwischen der Glasoberfläche und Wasser verursacht wurde, verwendeten wir für den Filter Quarzglaspartikel, die nahezu keine Verunreinigungen enthielten. Das Ergebnis ist in Abb. S6 zusammengefasst. Der hergestellte Quarzglasfilter ist in Abb. S6b dargestellt. Obwohl dieser Filter zerbrechlicher war als die Borosilikatglasfilter, konnte er für ein Energieerzeugungsexperiment bei niedriger Wasserströmungsgeschwindigkeit von weniger als 20 mm/s verwendet werden. Die wiederholte Spannungserzeugung wurde bestätigt und der Wasserfluss war gleichmäßig, wie aus den Kraftmessdaten hervorgeht (Abb. S6d). Anhand dieser Ergebnisse haben wir bestätigt, dass die Stromerzeugung nicht durch Verunreinigungen im Borosilikatglas verursacht wurde.

Im Anschluss an die grundlegenden Untersuchungen der vorherigen Abschnitte haben wir einen Prototyp eines Stromerzeugungsgeräts mit einer Fußpresseinheit hergestellt, wie in Abb. 4a–c dargestellt. Gemessen wurden die Leistung und die Dauer der Erzeugung. Die Fußpresseinheit (Abb. 4b) umfasste eine Spritze und deren Halterung, eine Halterung für den Stromgenerator und eine Abdeckung; und die Einheit wurde entwickelt, um die ausgeübte äußere Kraft einfach und effektiv auf das Wasser in der Spritze zu übertragen. Wir haben 50 ml entionisiertes reines Wasser (Milli-Q-Wasser) in die im Gerät eingesetzte Spritze gegeben. Ein Gewicht von etwa 60 kg (588 N, entsprechend 830 kPa Druck) wurde ausgeübt, als ein Experimentator mit dem Fuß auf diese Einheit drückte (Abb. 4c). Die elektrische Mess- und Aufzeichnungsmethode war die gleiche wie beim Größeneffektexperiment.

Demonstration und Anwendung des mit einer Fußpresse ausgestatteten Stromgenerators. (a) Eine Schaltung für Kondensatorspeicher- und Geräteantriebsanwendungen. Ein Generator wurde an die Anschlüsse 0 und 1 angeschlossen. Für energiesparende Anwendungen wurde der Generator ohne Anschluss der Anschlüsse 2 und 3 verwendet. (b) Schematische Zeichnungen, die die Arbeitsbewegung der Fußpresseinheit zeigen. (c) Foto der Fußpresseinheit. (d) Spannungs-Zeitverläufe unter Verwendung von porösen Glasfiltern, die bei 700 °C mit gemahlenem Glaspulver gesintert wurden, für den oben in jedem Diagramm angegebenen durchschnittlichen Porenradius. Jedes Diagramm zeigt die Spannung während eines Presszyklus mit einem Gewicht von 60 kg (Fußpressen durch einen Experimentator), beginnend bei etwa 2 s. (e) Spannung, Strom, Stromerzeugungsdauer, geschätzte Leistung und Energie des Generators im Vergleich zum durchschnittlichen Porenradius. Spannungs- und Stromdiagramme repräsentieren den Durchschnitt ± SD (n = 3). (f) Anwendung einer direkten LED-Beleuchtung durch Anschluss der LED an den Generator (ohne Schalter und Kondensator). Das obere Foto zeigt den Gesamtaufbau und die unteren beiden Fotos zeigen vor und nach dem Fußdrücken. (g) Anwendung zum Antrieb eines Rotators durch Energieeinsparung im Kondensator. Das obere Foto zeigt den Gesamtaufbau und die unteren beiden Fotos zeigen den Rotator (Lüfter) und den Multimeter-Anzeigebildschirm, der die akkumulierte Spannung im Kondensator vor und nach dem Einschalten des Schalters anzeigt, um die Energie im Kondensator freizusetzen. (h) Anwendung auf ein drahtloses Kommunikationstool, das im Kondensator gespeicherte Energie nutzt. Nach dem Energieaufbau sendet das Kommunikationstool automatisch ein Signal an den PC. Das Foto oben rechts zeigt den Gesamtaufbau und das Foto oben links ist ein vergrößertes Bild des Kondensators und des Senders. Bei den mittleren und unteren Fotos handelt es sich um Screenshots, die von der Software erstellt wurden, um den Empfang und das Senden von Signalen zu bestätigen.

Die Fußdruckeinheit wurde durch die Fußdruckbewegungen des Experimentators reibungslos angetrieben und konnte während eines Experiments mindestens 100 Mal ununterbrochen verwendet werden. Die 50 ml Wasser wurden wiederholt verwendet, indem sie jedes Mal nach Abschluss der Pressbewegung bis zu 50 Mal in einem Experiment zurückgewonnen wurden. Abbildung 4d und e zeigen die experimentellen Ergebnisse zur Stromerzeugung. Die Spannung stieg unmittelbar nach dem Anlegen des Drucks an (bei t = 2–3 s) und fiel auf Null, als das gesamte Wasser in der Spritze entleert war. Die erzeugte Spannung und der erzeugte Strom erreichten ihren Höhepunkt bei Verwendung des Filters, der mit einer Mahlzeit von 5 Minuten (durchschnittlicher Porenradius von 12 μm) hergestellt wurde. Dies war das gleiche Ergebnis wie bei dem Experiment mit dem Wasserzufuhrsystem mit konstanter Geschwindigkeit. Allerdings verlängerte sich die Dauer der Stromerzeugung mit zunehmender Mahldauer, da bei diesem Experiment ein konstanter Druck zur Erzeugung verwendet wurde (der Fußdruck des Experimentators). Umgekehrt nahm die Durchflussrate ab, wenn die Porengröße kleiner wurde (Abb. S7a). Unter Berücksichtigung der Dauer wies das Diagramm der geernteten Energie gegenüber der Mahlzeit im Vergleich zum Leistungsdiagramm einen nach rechts verschobenen Spitzenwert auf (Abb. 4e). Die Spannung, der Strom und die Leistung wiesen Spitzenwerte von 18 V, 0,26 mA bzw. 4,8 mW für den Filter auf, der mit einer Mahlzeit von 10 Minuten (durchschnittlicher Porenradius von 8 μm) hergestellt wurde. Da die Energie für diesen Filter für eine Dauer von 1,7 s erzeugt wurde, betrug die geerntete Energie 6,8 mJ. Unter Berücksichtigung der aufgebrachten Kraft (588 N) und der Spritzen-Schubverschiebung (70 mm) haben wir berechnet, dass die maximale Leistungseffizienz für den Filter, der mit einer Mahlzeit von 10 Minuten (durchschnittlicher Porenradius von 8 μm) hergestellt wurde, 0,017 % betrug.

Um zu zeigen, dass die gewonnene Energie in der Lage ist, Schaltkreise und elektronische Geräte anzutreiben, haben wir einen Beleuchtungstest mit Leuchtdioden (LED), einen Lüfterrotationstest und einen Test mit einem drahtlosen Kommunikationsgerät durchgeführt. Zunächst wurde eine LED-Leuchte über eine direkte Verbindung ohne Verwendung eines Kondensators zum Leuchten gebracht. Der Versuchsaufbau ist in Abb. 4f und Zusatzfilm 1 dargestellt. Die Presszeit zum Auspressen des gesamten gespeicherten Wassers aus der Spritze durch den Glasfilter betrug etwa 2 s. Während dieser Presszeit leuchtete die LED. Diese Anwendung ist leicht zu verstehen und kann zur Beleuchtung verwendet werden, wenn eine Person an einem dunklen Ort geht.

Aus einem Minimotor und anderen 3D-gedruckten Teilen wurde ein Mini-Lüfter zusammengebaut und auf ähnliche Weise wie die LED-Beleuchtung angetrieben, wie in Abb. 4g dargestellt. Doch anders als bei der LED-Beleuchtung wurde für die Lüfterrotation mehr Strom benötigt. Deshalb haben wir einen Kondensator mit einer großen Kapazität (4700 µF) verwendet und der Kondensator wurde durch 50-Fuß-Druck aufgeladen. Die im Kondensator gespeicherte Spannung wurde mit 5,2 V gemessen. Der Glasfilter-Stromgenerator erzeugte ausreichend Strom, um den Mini-Lüfter zu drehen. Verwandte experimentelle Ergebnisse finden Sie im Zusatzfilm 2. Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, so etwas wie einen Mini-Lüfter anzutreiben, der zur Kühlung beim Gehen einer Person verwendet werden kann.

Schließlich wurde ein drahtloses Kommunikationstool betrieben, wie in Abb. 4h gezeigt; Solche Tools werden häufig zur intelligenten Überwachung eingesetzt, indem sie ständig ein Signal über die unmittelbare Umgebung senden, einschließlich Temperatur-, Licht- und Bewegungsänderungen39. Der Signalgenerator war an einen Kondensator (2200 µF) angeschlossen und sendete das Signal automatisch, nachdem die Energie (ca. 0,2 V) darin gespeichert wurde. Beim zweimaligen Betreten der Fußpresse sendete das drahtlose Kommunikationstool Signale an den Signalempfänger, die vom PC überwacht wurden. Die tatsächliche Signalerfassungsbewegung wird im Zusatzfilm 3 gezeigt. Wenn ein drahtloses Kit bestehend aus einem Signalgenerator und einem Kondensator vom Glasfilter-Stromerzeugungsgerät mit Strom versorgt wurde, löste es gleichzeitig Signale aus und sendete sie an den Empfänger. Sobald die Signale empfangen wurden, wurde ihr Empfang auf dem Monitor angezeigt, bis die gesamte Spannung im Kondensator verbraucht war. In diesem Experiment haben wir Signale über eine Entfernung von 3 m gesendet. Diese Anwendung wäre für die persönliche Gesundheitsüberwachung praktisch.

Nach dem Prinzip der Stromerzeugung werden Wasserstoff- und Sauerstoffgase erzeugt. Hier haben wir geschätzt, wie viel Volumen generiert wurde. Die Stoffmenge an Wasserstoff (nh) kann nach Gl. berechnet werden. (3):

Dabei ist I der Strom, t die Dauer der Stromerzeugung und F die Faraday-Konstante (9,6 × 104 C/mol). Im Fußpressexperiment betrug der größte Strom (I) 0,26 mA und die entsprechende Dauer (t) betrug 1,7 s. Unter diesen Bedingungen wurde nh zu 24 nmol (48 ng) berechnet. Die Menge an Sauerstoff (no) betrug die Hälfte von nh, was als 12 nmol (380 ng) berechnet wurde. Da das Wasservolumen in diesem Experiment 50 ml betrug, wurden die Konzentrationen von Wasserstoff und Sauerstoff auf 0,96 ppb bzw. 7,7 ppb geschätzt. Solch niedrige Konzentrationen sind selbst mit handelsüblichen Gasüberwachungsgeräten mit hoher Empfindlichkeit nur schwer zu messen. Zur Messung der Gase muss der Strom deutlich erhöht werden.

Es ist jedoch wichtig zu bestätigen, dass die aktuelle Generation nicht durch andere Gründe (z. B. Vibrationen oder Lärm) verursacht wurde. Daher haben wir die Negativkontrolldaten erhalten. Die erzeugte Spannung durch Anlegen eines Drucks von 830 kPa unter Verwendung der Presseinheit ohne Glasfilter im Generator ist in Abb. S7b dargestellt. Sie betrug 0,12 ± 0,04 V (n = 3, ± SD) und war deutlich kleiner als die Daten mit Glasfiltern. Aus diesem Ergebnis wurde das Prinzip der Generation bestätigt.

Darüber hinaus haben wir den Einfluss der Strömung auf den Widerstand eines Glasfilters untersucht. Wenn sich der Widerstand durch den Durchfluss erheblich ändert, kann es sein, dass der Strom aufgrund des Leckstroms nicht korrekt gemessen wird. Die Simulation wurde in Abb. S8 hinzugefügt. Es zeigt, dass der Widerstand nahezu gleich war, unabhängig davon, ob eine Strömung vorhanden war oder nicht. Darüber hinaus wurde der elektrische Widerstand tatsächlich mit der Presseinheit und dem Filter mit einem durchschnittlichen Porenradius von 8 μm gemessen. Der Widerstand ohne und mit Fluss (35 ml/s) betrug 1,50 ± 0,14 MΩ (n = 3, ± SD) und 1,41 ± 0,10 MΩ (n = 3, ± SD). Es wurde kein signifikanter Unterschied beobachtet. Darüber hinaus war der Widerstand des Filters im Vergleich zum Widerstand des externen Stromkreises, der aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom in Abb. 4e (68 kΩ) berechnet wurde, groß genug, um den Leckstrom zu verhindern. Aus diesen Ergebnissen schlossen wir, dass die Strömung keinen Einfluss auf den elektrischen Widerstand hat.

Die maximale Leistung des druckbetriebenen Stromgenerators in diesem Experiment unter Verwendung der Fußpresseinheit betrug 4,8 mW (18 V, 0,26 mA, 0,02 % Energieeffizienz), mit einer Dauer von 1,7 s bei Verwendung des Filters mit einer durchschnittlichen Porengröße von 8 μm war bei 700 °C gesintert worden. Wir haben die Leistung mit der von zuvor gemeldeten mechanischen Energiegewinnungsgeräten verglichen. Tabelle 1 fasst sie in einem Vergleich von Prinzip, Material und Leistung zusammen, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf dem Vergleich zwischen Geräten mit dem gleichen Prinzip des Wasserdruckantriebs liegt.

Das elektromagnetische Gerät6 erzeugt eine große Leistung, ist jedoch sehr groß. Piezoelektrische8 und elektrostatische14 Geräte sind eher klein, aber die Dauer der Energieerzeugung ist kurz. Daher ist es schwierig, sie für Bewegungen mit einer langen Periode (dh länger als 1 s) zu verwenden. Andererseits ist die Dauer der Energieerzeugung unseres Geräts lang, da die Energieerzeugung so lange anhält, wie Wasser im Gerät verbleibt. Unter den wasserdruckbasierten Erzeugungsansätzen können andere Materialien als Glas, darunter glasbeschichtetes Silizium15, Metall-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff16 oder Zellulose17, nur eine geringe Leistung (weniger als einige Mikrowatt) liefern, da aufgrund der Zerbrechlichkeit des Materials kein hoher Druck angewendet werden kann Materialien, und daher sind die erzeugten Spannungen nicht so hoch (weniger als 1 V).

Bei den meisten konventionellen Stromerzeugungssystemen mit dem gleichen Prinzip wurden Mikro- oder Nanokanäle verwendet, die durch Photolithographie hergestellt wurden18,19,20,21. Die Stromerzeugung von Geräten, die durch Fotolithographie hergestellte Glaskanäle verwenden, ist weitaus geringer (weniger als 1 μW). Obwohl Glas hohen Drücken standhält und daher höhere Spannungen erzeugt werden können als bei anderen Materialien, sind die Ströme sehr gering (einige Mikroampere oder weniger). Das Hauptziel dieser Studien ist die Untersuchung von Oberflächen- und Flüssigkeitseigenschaften. Zu diesem Zweck ist es wichtig, die Kanalgeometrie durch Fotolithographie zu definieren, aber der Strom ist aufgrund der Schwierigkeit der 3D-Integration von Kanälen gering. Es gibt auch einen Bericht über die Verwendung eines Sinterglasfilters22. Allerdings wurde in dieser Studie ein handelsüblicher Filter verwendet. Dies ist nicht für die Stromerzeugung optimiert. Daher war die Spannung niedrig (22 mV) und dementsprechend war die Leistung immer noch niedrig (20 nW), teilweise aufgrund der Zerbrechlichkeit des porösen Glases. Andererseits haben wir Glasfilter von Grund auf hergestellt. Wir haben die Technik zur Glas-Glas-Verbindung bei niedriger Temperatur durch Druckanwendung während des Sinterns35,36 angewendet und konnten so robuste Glasfilter herstellen, die auch bei einem Flüssigkeitsdruck von 830 kPa einsetzbar sind. Daher verbesserte sich die erzeugte Leistung um mehr als vier Größenordnungen.

Insgesamt haben wir einen Generator für elektrische Energie mithilfe eines porösen Glasfilters hergestellt, für den wir den Herstellungsprozess optimiert haben, und eine Stromerzeugung über einen Zeitraum von mehr als 1 Sekunde demonstriert. Dies reicht für normale Schaltkreisanwendungen wie die Kondensation von Strom durch Kondensatoren oder die Spannungserhöhung aus und wir haben somit die Nützlichkeit als Energiegewinnungsgenerator demonstriert. Dieses System kann ein Prototypmodell für einen elektrischen Energiegenerator als Energiequelle für verschiedene menschliche Schnittstellengeräte sein, die auf einem System zur Umwandlung des menschlichen mechanischen Verhaltens basieren. Dieses System nutzt Niederfrequenzantrieb als Energiequelle und stellt daher eine saubere und sichere Energieversorgung mit vielen möglichen zukünftigen Anwendungen dar.

Darüber hinaus ähnelt diese ionenbasierte Generation grundsätzlich unserem zuvor demonstrierten Generator für elektrische Strahlen40. Dieser Generator nutzte elektrische Organe des Strahls, in die eine Reihe von Ionenpumpen (Membranproteinen) integriert waren, die spezifische Ionen weiterleiteten und dabei Adenosintriphosphat (ATP) als Energiequelle für den Ionentransport nutzten. Unser druckbetriebener Stromgenerator kann als eines der Produkte angesehen werden, die von solchen Fusionsgeräten mit Maschinenlebensdauer inspiriert wurden41,42,43.

Glasfilter wurden auf zwei Arten hergestellt. Im ersten Schritt wurde eine Borosilikatglasfritte (Furuuchi Chemical Corporation, Tokio, Japan) in das Loch einer Kohlenstoffform (Beijing Jinglong Special Carbon Co., Ltd, Peking, China) gegeben (Lochdurchmesser 2 cm und Tiefe 3). mm) und die Fritte sinterte. Bei der zweiten Methode wurde ein Pulver aus gemahlenen Glaspartikeln verwendet. 3 g grobe Partikel wurden manuell in einem Mörser (As One, Osaka, Japan) gemahlen und die Rotationsgeschwindigkeit lag konstant bei 120 U/min. Die Mahlzeit wurde mit einer Stoppuhr überwacht. Das Pulver wurde in die gesamte Kohlenstoffform gegeben und dann wurden Aluminiumoxidgewichte (60 g/Platte, Yunyi Electronic Co., Ltd, Guangzhou, China) auf jedes mit Partikeln gefüllte Loch (3 Platten/Vorrichtung) gelegt, um Druck auszuüben. Das Glaspulver wurde in einem Vakuumofen (KDF-900GL, Denken, Kyoto, Japan) gesintert, um den Filter herzustellen. Die Temperatur wurde innerhalb von 2 Stunden auf die gewünschte Temperatur (680–720 °C) erhöht und dann 5 Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten. Anschließend wurde die Form mit dem Sinterfilter 8 Stunden lang auf Raumtemperatur abgekühlt. Alle Sintervorgänge wurden unter Vakuumbedingungen durchgeführt.

Quarzglasfilter wurden mit einem ähnlichen Verfahren unter Verwendung von SiO2-Pulver (Furuuchi Chemical Corporation) hergestellt. Da die Erweichungstemperatur von Quarzglas recht hoch ist, verwendeten wir eine Sintertemperatur von 1100 °C für 10 Stunden im Vakuum zur vorläufigen Verfestigung, gefolgt von 1150 °C für 5 Stunden zum Härten in einem Nicht-Vakuum-Ofen (KDF-S80). , Denken, Kyoto, Japan) ohne Kohlenstoffform. Beachten Sie, dass die vorläufige Verfestigung in der Form stattfand, dann die Form entfernt wurde und nur der Filter in einem Nicht-Vakuum-Ofen gehärtet wurde.

Die Vorgehensweise hierfür wurde an anderer Stelle beschrieben44. Kurz gesagt, die gesinterten Glasfilter wurden in kleine Stücke (weniger als 1 cm Durchmesser) zerbrochen. Anschließend wurden sie in ein automatisches Quecksilberporosimeter (Pascal 140 für niedrigen Druck oder Pascal 240 für hohen Druck; MicrotracBEL, Osaka, Japan) eingesetzt. Die bei dieser Messung verwendete Oberflächenspannung und der Kontaktwinkel von Quecksilber betrugen 0,48 N/m bzw. 141,3°.

Ein Filterhalter (Swinnex Filter Holder Φ25mm, Merck, MA, USA), ein Luer-Anschluss (VPRM406, ISIS, Osaka, Japan), ein Kupfernetzblech (#100, Eggs Store, Tokio, Japan) und Silikonschläuche wurden vorbereitet. Der Auslass des Filterhalters wurde mit einer Hobbyfräse (HRT-86, Takagi, Niigata, Japan) gefräst, um die Öffnung zu erweitern. Der Luer-Anschluss wurde oben am Filterhalter angebracht und mit dem Silikonschlauch (4 mm Durchmesser) verbunden. Der Boden des Halters wurde an einem weiteren Silikonschlauch (10 mm Durchmesser) befestigt. Aus dem Kupfernetz wurden zwei Kreise (Durchmesser 20 mm) ausgeschnitten und ein Kreis oben und der andere unterhalb des Filters für die Elektroden platziert. Schließlich wurden leitende Drähte durch in die Silikonschläuche gestochene Löcher mit Lötzinn an den Elektroden befestigt.

Wasser wurde aus einer 50-ml-Spritze (SS-50ESZ, Terumo, Tokio, Japan) mit konstanter Geschwindigkeit durch einen Linearantrieb in den Stromgenerator eingeleitet. Die Geschwindigkeit des Linearantriebs (LEY32C-150, SMC, Tokio, Japan) wurde von einem ACT-Controller (Version 1.2.0.0, SMC) gesteuert. Das Wasser wurde durch Druck- und Zugbewegungen des Spritzenkolbens durch den Linearantrieb über ein Rückschlagventil (AS-1022, ASOH, Osaka, Japan) in eine Richtung zirkuliert.

Spannungs-, Strom- und Kraftsignale wurden über eine I/O-Karte (MF644, Humusoft, Prag, Tschechische Republik) an einen PC gesendet. mit MATLAB R2020a (Version 9.9.01467702, MathWorks, MA, USA) und Simulink (Version 10.2, MathWorks) wurden auf dem PC installiert. Ein Dehnungsmessstreifensensor (LSM-50K-B, MinebeaMitsumi, Nagano, Japan) wurde oben auf dem Spritzenkolben angebracht. Das Kraftsignal wurde auch über einen Dehnungsverstärker (DPM-951A, Kyowa Electronic Instruments, Tokio, Japan) an die I/O-Platine gesendet. Es wurde ein Spannungsteiler mit 1 MΩ und in Reihe geschalteten Widerständen von 2, 5 und 10 MΩ verwendet, die entsprechend dem gemessenen Spannungsbereich ausgewählt wurden. Der Strom wurde aus der Steigung der in einem Kondensator (200 μF) gespeicherten Spannung während des Fußdrucks des Experimentators berechnet. Für die Druckeinheit ein Datenlogger (NR-600, Keyence, Osaka, Japan) mit einem analogen Hochgeschwindigkeitsmesssystem (NR-HA08, Keyence) und Software (WAVE LOGGER PRO (Version R4.02.00), Keyence) wurden zur Aufnahme verwendet. Die Daten wurden in Zeitintervallen von 1 ms aufgezeichnet.

Zur Demonstration der Stromerzeugung haben wir eine große kraftbetätigte Fußdruckeinheit entworfen und hergestellt (Abb. 4b). Das Gerät verfügte über einen Spritzenhalter (59 mm Durchmesser) und eine Spritze (31 mm Durchmesser). Es hatte außerdem eine quadratische Abdeckung (100 mm × 100 mm) mit einer innen geformten Zylinderform (85 mm Durchmesser, in die der Spritzenhalter passte), um den Kraftangriffsbereich zu vergrößern und die Arbeitsrichtungen zu begrenzen, und einen inneren zylindrischen Ständer (34). mm im Durchmesser), um die gesamte Einheit stabil zu halten. Die Komponenten der Einheit wurden mithilfe eines 3D-Fused-Deposition-Modeling-Druckers (FDM) (Black Knight, Magic Maker, Chongqing, China) hergestellt. Das für diese Einheit verwendete Material war Polymilchsäure (PLA). Der Entwurf wurde mit einer Designsoftware (Fusion 360, Autodesk, CA, USA) gezeichnet.

Für den Beleuchtungstest wurde ein LED-Licht (3 mm, 3,3–3,6 V, 18 mA) verwendet und es wurde kein Widerstand verwendet. Die in einem Kondensator gespeicherte Energie wurde mit einem Multimeter (MS8233D, Crenova, China) gemessen. Für die Rotation des Mini-Lüfters wurden ein Minimotor (DC 1,5–3 V/40 mA, 11 × 4 mm, Uxcell Micro Vibrating Motor (OEM), Hongkong, China) und andere 3D-gedruckte Teile verwendet. Für den Test des drahtlosen Kommunikationstools wurde ein Signalgenerator (STM320, EnOcean, Oberhaching, Deutschland) mit einem Signalempfänger (USB 400 J, EnOcean) und einem drahtlosen Kit (ESK300U, EnOcean) verwendet.

Die REM-Bilder von Glaspartikeln wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop (VE-8800, Keyence) aufgenommen und mit der Open-Source-Software ImageJ (Version 1.8.0_172)45 analysiert. Die durchschnittlichen Feret-Durchmesser wurden von der Software automatisch gemessen, nachdem die Bilddaten als Weiß-Schwarz binarisiert wurden. Die erfassten Videos und Bilder für Anwendungsexperimente wurden mit kommerzieller Software (PowerDirector 16 (Version 16.0), CyberLink, New Taipei City, Taiwan) bearbeitet.

Der statische Widerstand des Filters wurde mit einem hochpräzisen Multimeter (Fluke 83 Multimeter, Washington, USA) gemessen. Im Durchflusszustand wurde eine einfache Schaltung aufgebaut, um den Strom zu stabilisieren und die gesamte erzeugte Spannung auf einen Referenzwiderstand (2,05 MΩ) aufzuteilen. Dies liegt daran, dass es schwierig ist, den Widerstand direkt mit einem Multimeter zu messen. Nach dem einfachen Ohmschen Gesetz wurde der Widerstand im Strömungszustand geschätzt. Die numerische Simulation wurde mit AC- und CFD-Modulen kommerzieller Software (COMSOL Multiphysics (Version 6.0), COMSOL Inc., Burlington, MA, USA) durchgeführt.

Die Autoren erklären, dass alle Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, im Papier und in den Zusatzinformationen verfügbar sind.

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Diese Arbeit wurde durch Grant-in-Aid for Scientific Research (B) (20H02596) und Scientific Research on Innovative Areas (21H00334) der Japan Society for the Promotion of Science (JSPS), Japan, finanziert. Wir danken der TATEISI Science and Technology Foundation, Japan, und der TEPCO Memorial Foundation, Japan für ihre finanzielle Unterstützung. Wir danken auch den Mitarbeitern des Osaka Research Institute of Industrial Science and Technology, Japan, für ihre technische Unterstützung bei der Messung der Porengröße.

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Yo Tanaka, Satoshi Amaya, Shun-ichi Funano, Yuri Ito, Yusufu Aishan und Yaxiaer Yalikun

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Xun Liu & Yaxiaer Yalikun

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YT, SA, SF, NK und YY haben die Forschung entworfen; YT, SA, SF, HS, WN, YI, YA, XL und YY führten die Forschung durch und interpretierten die Ergebnisse; YT hat das Manuskript erstellt.

Korrespondenz mit Yo Tanaka.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Ergänzungsfilm 1.

Ergänzungsfilm 2.

Ergänzungsfilm 3.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Tanaka, Y., Amaya, S., Funano, Si. et al. Ein druckbetriebener Generator für elektrische Energie, der einen porösen Glasfilter im Mikro- bis Nanomaßstab mit einem aus Wasser stammenden Ionenfluss nutzt. Sci Rep 12, 16827 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21069-8

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Eingegangen: 06. Juli 2022

Angenommen: 22. September 2022

Veröffentlicht: 20. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21069-8

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