Po celá léta vyráběla návrhářka Marianne Fairbanks kabelky se solárním nabíjením. Její společnost Noon Solar byla zaměřena na špičkový městský módní trh a na svém vrcholu prodávala ve 30 obchodech ve Spojených státech a Kanadě. Zatímco společnost Noon Solar v roce 2010 zavřela své dveře, Fairbanks, který se v roce 2014 připojil k University of Wisconsin-Madison v roce 2014 jako odborný asistent na škole lidské ekologie, byl stále zaujat konceptem solárního designu.
Jakmile dorazila na kampus, Fairbanks objevila Trishu Andrewovou, asistentku profesora organické chemie, nyní na University of Massachusetts-Amherst. Specialitou Andrewa je vývoj levných, lehkých solárních článků. Konkrétně vytvořila na papíře solární článek na bázi organických barviv.
Spolupráce mezi nimi začala nevinným telefonním hovorem.
"Zeptal jsem se Trish, " říká Fairbanks, "jestli bychom mohli uplatnit její myšlenku, že použila na papíře na textil." A tak náš projekt začal. “
"Způsob, jakým se dnes vytváří nositelná elektronika, je jednoduchý proces balení, " říká Andrew. "Hodinky Fitbit nebo Apple - všechny mají desku plošných spojů PCB, která drží malý elektronický obvod." To vám umožňuje „nosit“ toto zařízení, ale pro mě to není skutečná nositelná elektronika. To je jen něco, co je nalepeno na jiný materiál. “
Jejich společnou vášní pro solární inovace je nyní pracuje na dokončení designu solární textilie. Zatímco plány společnosti Fairbanks jsou v konečném důsledku pěstování hotové textilie, Andrew doufá, že ji vezme a skutečně vyrobí prodejné výrobky. Andrew si představí textilie pro vyhřívaná sedadla nebo dokonce malé solární panely sešité do většího oděvu.
Trisha Andrew, vlevo a Marianne Fairbanks, vpravo, vyvinuli tkaný sluneční textilní prototyp. (Foto: Jeff Miller / UW-Madison) Historicky byly solární panely vyrobeny ze skla nebo plastu - materiály, které jsou tvrdé a lze je snadno zničit. Vědci se poprvé obrátili k textilu v roce 2001 ve snaze vytvořit solární komponentu, která je pružná, prodyšná a flexibilní. Od té doby byly solární tkaniny začleněny do stadionů, aut a dokonce nositelného umění, ale Andrew a Fairbanks tvrdí, že jejich textilie je lepší než prodyšnost, pevnost a hustota ostatních skupin. Nejen, že přišli na to, jak využít svůj postup na jakémkoli druhu textilie, ale protože jde o spolupráci mezi vědcem a designérem, mají také schopnost rozšířit rozsah solárních textilií na komerčním, spotřebitelsky vstřícnějším trhu.
"Největší problém spočívá v tom, že textilie, které pocházejí ze strojírenství a chemie, jsou neuvěřitelně drsné, " říká Andrew. "Jsou to trojrozměrný substrát; nejsou ploché. “
Jejich solární článek sestává z jedné vrstvy tkaniny, která má čtyři vrstvy různých polymerů. První kabát je Poly (3, 4-ethylendioxythiofen) nebo „PEDOT“, který objevil Andrew a její postdoktorská výzkumná asistentka Lushuai Zhang neuvěřitelně dobře na zvýšení vodivosti látky. Dalšími třemi vrstvami jsou různá polovodičová barviva, jako například ftalocyanin mědi s modrým barvivem, která působí jako fotoaktivní vrstvy nebo absorbéry světla pro buňku. Andrew a Fairbanks dosáhli opakovaných úspěchů s prvními dvěma vrstvami, ale stále připravují smyčky pro kabáty tři a čtyři.
Tkaniny, na rozdíl od hladkého a lesklého skla nebo plastu, jsou porézní, díky čemuž je jejich rovnoměrné potahování konkrétními polymery trochu složitější. Pokud uvažujete o tom, jak se vytvoří kus látky, je to složeno z více vláken stočených dohromady. Každé vlákno bude mít jinou úroveň drsnosti, která z chemického hlediska zahrnuje více světelných měřítek (nanometr, mikrometr atd.).
"Abychom skutečně umístili elektronicky vodivý polymer na tento povrch, musíte projít všemi těmito různými světelnými měřítky, " říká Andrew. "A to je těžké."
Aby se tento problém obešel, Andrew se rozhodl vyzkoušet chemické depozice par (CVD), což je technika obvykle vyhrazená pro anorganické experimenty, které používají tvrdé substráty, jako jsou kovy nebo plasty. Využitím vlastností transportu hmoty nebo obecných fyzikálních zákonů upravujících pohyb hmoty z jednoho bodu do druhého může Andrew rovnoměrně potahovat jakoukoli libovolnou látku, včetně textilie, protože použité nanomateriály se nestarají o povrch substrátu . Ještě lépe aplikuje PEDOT ve vakuu.
Dalším krokem bylo určení, které látky budou fungovat nejlépe.
"Přinesl jsem hedvábí, vlnu, nylon - všechny tyto různé substráty, " říká Fairbanks a poznamenal, že materiály byly standardní vzorky od Jo-Ann Fabrics. Pro testování textilií potahovali každou vrstvu PEDOT a další polovodičové materiály a poté je připojili k elektrodovým svorkám a drátům. Přivedli napětí a změřili výstupní proud pro každý vzorek.
"Někteří by se zahřáli, vzali energii a přeměnili ji v teplo; někteří z nich vydávali teplo, ale vedli mnohem snadněji, “říká Fairbanks.
"Vodivost PEDOT byla zcela určena základními textiliemi, " dodává Andrew. "Pokud bychom měli porézní textilii, dostali jsme vodivost vyšší než měď." Pokud bychom měli velmi fuzzy textilie, jako je fuzzy bavlněný dres nebo vlněná plst, nebo velmi těsně tkané textilie, pak byla vodivost PEDOT opravdu špatná. ““
Na základě svých počátečních experimentů Andrew navrhl prototyp rukavice, aby využil různých vlastností každé tkaniny. Jejich design v podstatě používal specifické textilie k vedení elektřiny k zahřívání různých částí rukavice. Prototyp je vyroben z ananasového vlákna, které je velmi vodivé a absorbuje teplo, a bavlny, která působí jako brzda, aby udržovala teplo obsažené mezi vrstvami. Toto je první položka, kterou duo vytvořilo a doufá, že skutečně prodá.
„Co je na této spolupráci opravdu fascinující, “ říká Fairbanks, „je to, že jsme se konkrétně nepřišli k vytvoření této rukavice. Byl to jen jeden z těchto vedlejších výstupů původního výzkumu. “
Během procesu výzkumu a vývoje Andrew a Fairbanks experimentovali nad rámec své původní myšlenky na solární textil, která stále probíhá, k další sluneční inovaci, která zahrnuje potahování každého jednotlivého vlákna pomocí PEDOT a tkaní kusů dohromady za vzniku pracovního okruhu. . Tato zcela originální látka funguje jako triboelektrické zařízení, které převádí mechanický pohyb na energii. Duo vytvořilo políčka o rozměrech 10 x 10 palců různých vzorů tkaní, s nejefektivnějším generováním asi 400 miliwatů energie jednoduše tím, že je mávaly jako malá vlajka.
"Pokud jste vlastně vytvořili standardní závěs pro dům, něco 4 x 4 metry, pak je to více než dostatek energie k dobití smartphonu, " říká Andrew a poznamenává, že tento materiál bude potřebovat jen vánek, který prochází oknem generovat tuto úroveň energie.
Andrew a Fairbanks spolupracují s několika společnostmi v různých průmyslových odvětvích, které mají zájem začlenit tyto myšlenky do budoucích produktů. Například Andrew má grant na letectvo, jehož cílem je výroba solárních stanů pro použití vojáky, a ve vývoji s Patagonií má venkovní výstroj.
"Jsem opravdu nadšený, protože textilie jsou přenosné a lehké, " říká Fairbanks. "Mohli by být rozmístěni v divočině pro lovce nebo v terénu pro lékařské nebo vojenské aplikace takovým způsobem, jaký by velké neohrabané solární panely nikdy nemohly být."
Fairbanks vidí neomezený potenciál. Solární textilie, říká, by mohla být použita pro stovky budoucích aplikací, včetně deštníků, markýz a uprchlických úkrytů, zatímco triboelektrická tkanina by mohla být použita v domácích potřebách nebo atletickém vybavení, jako jsou běžecké košile a tenisové boty - cokoli, co vyžaduje pohyb od té doby tak vytváří energii.
"Jsem nadšený, že se mi podaří 100 procent fungovat a dostat se na svět, " říká Fairbanks.
