Για χρόνια, η σχεδιαστής υφασμάτων Marianne Fairbanks έκανε ηλιακά φορτισμένες τσάντες. Η εταιρεία της, η Noon Solar, προσανατολίστηκε στην αγορά μόδας υψηλών προδιαγραφών, βασισμένη στην αστική αγορά, και στην κορυφή της πώλησε σε 30 καταστήματα στις Ηνωμένες Πολιτείες και τον Καναδά. Ενώ η Noon Solar έκλεισε τις πόρτες της το 2010, η Fairbanks, που προσχώρησε στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin-Madison το 2014 ως βοηθός καθηγητή στο σχολείο της ανθρώπινης οικολογίας, εξακολουθούσε να ενδιαφέρεται για την έννοια του ηλιακού σχεδιασμού.
Μόλις έφτασε στην πανεπιστημιούπολη, η Fairbanks ανακάλυψε τον Τρίσα Ανδρέα, βοηθό καθηγητή οργανικής χημείας στο Πανεπιστήμιο της Μασσαχουσέττης-Αμίρστ. Η ειδικότητα του Andrew είναι η ανάπτυξη χαμηλού κόστους, ελαφρών ηλιακών κυττάρων. Συγκεκριμένα, είχε δημιουργήσει ένα οργανικό ηλιακό κύτταρο βασισμένο σε βαφές σε χαρτί.
Η συνεργασία μεταξύ των δύο ξεκίνησε με ένα αθώο τηλεφώνημα.
"Ζήτησα από την Trish, " λέει η Fairbanks, "αν μπορούσαμε να εφαρμόσουμε την ιδέα της που είχε χρησιμοποιήσει σε χαρτί πάνω σε ένα κλωστοϋφαντουργικό προϊόν. Και έτσι ξεκίνησε το σχέδιό μας. "
"Ο τρόπος με τον οποίο δημιουργούνται τα ηλεκτρονικά που φοριούνται σήμερα είναι μια απλή διαδικασία συσκευασίας", λέει ο Andrew. "Ένα Fitbit ή ένα ρολόι Apple-έχουν όλα μια πλακέτα τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB), η οποία συγκρατεί το μικρό ηλεκτρονικό κύκλωμα. Σας επιτρέπει να «φορέσετε» αυτή τη συσκευή, αλλά για μένα δεν είναι πραγματική φορητή ηλεκτρονική. Αυτό είναι μόνο κάτι που μπαίνει σε άλλο υλικό. "
Το κοινό πάθος τους για την ηλιακή καινοτομία τους έχει τώρα να εργαστούν για την ολοκλήρωση του σχεδιασμού ενός ηλιακού υφάσματος. Ενώ τα σχέδια της Fairbanks είναι να καλλιεργήσουν τελικά ένα τελειωμένο ύφασμα, ο Andrew ελπίζει να πάρει αυτό το ύφασμα και στην πραγματικότητα να κατασκευάσει εμπορεύσιμα προϊόντα. Ο Andrew οραματίζεται πάνελ από ύφασμα για θερμαινόμενα καθίσματα αυτοκινήτων ή ακόμη και μικρούς ηλιακούς συλλέκτες που είναι ραμμένοι σε μεγαλύτερο ένδυμα.
Η Trisha Andrew, αριστερά, και η Marianne Fairbanks, σωστά, έχουν αναπτύξει ένα υφαντό ηλιακό-κλωστοϋφαντουργικό πρωτότυπο. (Φωτογραφία από τον Jeff Miller / UW-Madison) Ιστορικά, οι ηλιακοί συλλέκτες έχουν κατασκευαστεί από γυαλί ή πλαστικά υλικά που είναι σκληρά και μπορούν να καταστραφούν αρκετά εύκολα. Οι ερευνητές στράφηκαν για πρώτη φορά στα κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα το 2001 σε μια προσπάθεια να δημιουργήσουν ένα ηλιακό στοιχείο που είναι εύκαμπτο, αναπνεύσιμο και ευέλικτο. Από τότε, τα ηλιακά υφάσματα έχουν ενσωματωθεί στα καλύμματα του σταδίου, τα carports και ακόμη και η φορετή τέχνη, αλλά οι Andrew και Fairbanks ισχυρίζονται ότι το ύφασμά τους είναι ανώτερο από άλλες ομάδες σε αναπνέει, δύναμη και πυκνότητα. Όχι μόνο έχουν καταλάβει πώς να αξιοποιήσουν τη διαδικασία τους σε οποιοδήποτε είδος υφάσματος, αλλά επειδή πρόκειται για μια συνεργασία μεταξύ επιστήμονα και σχεδιαστή, έχουν επίσης τη δυνατότητα να διευρύνουν το πεδίο εφαρμογής των ηλιακών υφασμάτων σε μια πιο εμπορική και φιλική προς τον καταναλωτή αγορά.
"Το μεγαλύτερο πρόβλημα είναι ότι τα κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα, από μια ανησυχία μηχανικής και χημείας, είναι ότι είναι απίστευτα τραχιά", λέει ο Andrew. "Είναι ένα τρισδιάστατο υπόστρωμα. δεν είναι επίπεδη. "
Το ηλιακό τους κύτταρο αποτελείται από ένα στρώμα υφάσματος που έχει τέσσερις στρώσεις διαφορετικών πολυμερών. Η πρώτη επίστρωση είναι το πολυ (3, 4-αιθυλενοδιοξυθειοφαίνιο) ή το «PEDOT», το οποίο ο Andrew και ο βοηθός ερευνητής του, Lushuai Zhang, ανακάλυψαν ότι λειτούργησαν εξαιρετικά καλά για να αυξήσουν την αγωγιμότητα του υφάσματος. Τα άλλα τρία στρώματα είναι διάφορες ημιαγώγιμες χρωστικές, όπως μπλε χρωστική φθαλοκυανίνη χαλκού, που δρουν ως φωτοενεργά στρώματα ή απορροφητές φωτός για το κύτταρο. Ο Andrew και η Fairbanks έχουν επιτύχει επαναλαμβανόμενη επιτυχία με τα δύο πρώτα παλτά, αλλά εξακολουθούν να επεξεργάζονται τα κορδόνια για τα παλτά τρία και τέσσερα.
Τα υφάσματα, σε αντίθεση με το λείο και λαμπερό γυαλί ή το πλαστικό, είναι πορώδη, γεγονός που καθιστά ομοιόμορφα την επίστρωση τους με συγκεκριμένα πολυμερή λίγο δύσκολο. Αν σκεφτείτε πώς δημιουργείται ένα κομμάτι ύφασμα, είναι κατασκευασμένο από πολλαπλές ίνες συνεστραμμένες μεταξύ τους. Κάθε ίνα θα έχει ένα διαφορετικό επίπεδο τραχύτητας, το οποίο, από την άποψη της χημείας, περιλαμβάνει πολλαπλές κλίμακες φωτός (νανόμετρο, μικρόμετρο κλπ.).
"Για να τοποθετήσετε το ηλεκτρόνως αγώγιμο πολυμερές πάνω από την επιφάνεια αυτή, πρέπει να περάσετε όλες αυτές τις διαφορετικές κλίμακες φωτός", λέει ο Andrew. "Και αυτό είναι δύσκολο."
Για να ξεπεράσει αυτό το ζήτημα, ο Andrew αποφάσισε να δοκιμάσει χημική εναπόθεση ατμών (CVD), μια τεχνική που συνήθως προορίζεται για ανόργανα πειράματα που χρησιμοποιούν σκληρά υποστρώματα όπως μέταλλα ή πλαστικά. Χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες μαζικής μεταφοράς ή τους γενικούς φυσικούς νόμους που διέπουν την κίνηση μάζας από το ένα σημείο στο άλλο, ο Andrew μπορεί να καλύψει ομοιόμορφα οποιαδήποτε αυθαίρετη ουσία, συμπεριλαμβανομένου του υφάσματος, επειδή τα χρησιμοποιούμενα νανοϋλικά δεν ενδιαφέρονται για την επιφάνεια του υποστρώματος . Ακόμη καλύτερα, εφαρμόζει το PEDOT μέσα σε κενό.
Το επόμενο βήμα ήταν να καθοριστεί ποια υφάσματα θα λειτουργούσαν καλύτερα.
"Έφερα πάνω από μετάξι, μαλλί, νάιλον - όλα αυτά τα διαφορετικά υποστρώματα", λέει ο Fairbanks, σημειώνοντας ότι τα υλικά ήταν τυποποιημένα δείγματα από το Jo-Ann Fabrics. Για να δοκιμάσουν τα υφάσματα, επικαλύπτουν το καθένα με PEDOT και άλλα υλικά ημιαγωγών, στη συνέχεια τα συνδέουν με τους συνδετήρες ηλεκτροδίων και τα καλώδια. Εφαρμόζουν τάση και μετρούν το ρεύμα εξόδου για κάθε δείγμα.
"Κάποιοι από αυτούς θα ζεσταθούν και θα πάρουν την ενέργεια και θα μετατραπούν σε θερμότητα. μερικοί από αυτούς διανέμουν τη θερμότητα, αλλά διευθύνονται πολύ πιο εύκολα », λέει ο Fairbanks.
"Η αγωγιμότητα του PEDOT καθορίστηκε πλήρως από τα υποκείμενα κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα", προσθέτει ο Andrew. "Αν είχαμε ένα πορώδες κλωστοϋφαντουργικό προϊόν, έχουμε αγωγιμότητα υψηλότερη από τον χαλκό. Αν είχαμε ένα πολύ ασαφές κλωστοϋφαντουργικό προϊόν, σαν αχνό βαμβακερό φανέλα ή μάλλινο τσόχα ή πολύ σφιχτά υφασμένα υφάσματα, τότε η αγωγιμότητα του PEDOT ήταν πραγματικά κακή ».
Με βάση τα αρχικά τους πειράματα, ο Andrew πρότεινε ένα πρωτότυπο γάντι για να εκμεταλλευτεί τις διάφορες ιδιότητες του κάθε υφάσματος. Ουσιαστικά, ο σχεδιασμός τους χρησιμοποίησε ειδικά υφάσματα για τη διεξαγωγή ηλεκτρικού ρεύματος για τη θέρμανση διαφορετικών τμημάτων του γαντιού. Το πρωτότυπο είναι κατασκευασμένο από ίνα ανανά, το οποίο είναι πολύ αγώγιμο και απορροφά τη θερμότητα, και το βαμβάκι, το οποίο λειτουργεί ως φρένο για να κρατήσει τη θερμότητα που περιέχεται μεταξύ των στρωμάτων. Αυτό είναι το πρώτο στοιχείο που δημιούργησε το δίδυμο που ελπίζουν στην αγορά.
"Αυτό που πραγματικά συναρπάζει αυτή τη συνεργασία, λέει ο Fairbanks, είναι ότι δεν συναντηθήκαμε για να δημιουργήσουμε αυτό το γάντι, συγκεκριμένα. Ήταν μόνο μία από αυτές τις άλλες πλευρικές εξόδους της αρχικής έρευνας. "
Μέσα από τη διαδικασία έρευνας και ανάπτυξης, οι Andrew και Fairbanks έχουν πειραματιστεί πέρα από την αρχική τους ιδέα για την ηλιακή κλωστοϋφαντουργία, η οποία εξακολουθεί να είναι έργο σε εξέλιξη, σε μια άλλη ηλιακή καινοτομία που περιλαμβάνει την επίστρωση κάθε μεμονωμένης ίνας με PEDOT και την ύφανση των τεμαχίων για να σχηματίσουν το κύκλωμα εργασίας . Αυτό το εντελώς πρωτότυπο ύφασμα λειτουργεί σαν μια τριβοηλεκτρική συσκευή, μεταφράζοντας την μηχανική κίνηση στην εξουσία. Το δίδυμο έχει κατασκευάσει δείγματα 10-ιντσών 10 ιντσών διαφορετικών μοτίβων υφάνσεως, με την πιο αποδοτική παραγωγή περίπου 400 εκατομμυρίων καυσίμων, απλά να το κυματίζει σαν μια μικρή σημαία.
"Εάν κάνατε μια τυπική κουρτίνα για ένα σπίτι, κάτι 4 με 4 πόδια, τότε είναι κάτι περισσότερο από αρκετή ενέργεια για να φορτίσετε το smartphone σας", λέει ο Andrew, σημειώνοντας ότι το υλικό θα χρειαζόταν μόνο ένα αεράκι που έρχεται από το παράθυρο για να δημιουργήσει αυτό το επίπεδο ισχύος.
Ο Andrew και η Fairbanks συνεργάζονται με διάφορες εταιρείες σε διάφορες βιομηχανίες που ενδιαφέρονται να ενσωματώσουν αυτές τις ιδέες σε μελλοντικά προϊόντα. Ο Ανδρέας, για παράδειγμα, έχει επιχορήγηση της Πολεμικής Αεροπορίας με στόχο την παραγωγή ηλιακών σκηνών για χρήση από στρατιώτες και έχει υπαίθριο εργαλείο στην ανάπτυξη με την Παταγονία.
"Ενθουσιάζω πραγματικά, γιατί τα κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα είναι φορητά και ελαφριά", λέει ο Fairbanks. "Θα μπορούσαν να αναπτυχθούν στην έρημο για έναν κυνηγό ή στον τομέα για ιατρικές ή στρατιωτικές εφαρμογές με τέτοιο τρόπο που ποτέ δεν θα μπορούσαν να είναι μεγάλα ηλιακά πάνελ".
Η Fairbanks βλέπει απεριόριστες δυνατότητες. Η ηλιακή κλωστοϋφαντουργία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εκατοντάδες μελλοντικές εφαρμογές, όπως ομπρέλες, τέντες και καταφύγια πρόσφυγες, ενώ το τριβοηλεκτρικό υλικό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε οικιακά σπορ ή αθλητικά εργαλεία, όπως μπλουζάκια και παπούτσια τένις - οτιδήποτε απαιτεί κίνηση αυτό είναι το πώς παράγει ενέργεια.
«Είμαι ενθουσιασμένος που το πάω 100 τοις εκατό σε λειτουργία και έξω στον κόσμο», λέει ο Fairbanks.
