Κυριακή 2 Νοέμβρη 2003
ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ
ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ
ΕΝΘΕΤΗ ΕΚΔΟΣΗ: "7 ΜΕΡΕΣ ΜΑΖΙ"

Τα διηλεκτρικά ελαστομερή μπορούν να παράγουν και ηλεκτρική ενέργεια. Οταν παραμορφωθούν υπό την επίδραση κάποιου εξωτερικού παράγοντα, τότε δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο και συσσωρεύονται αντίθετα φορτία στα δύο ηλεκτρόδια. Με τη χρήση κατάλληλου ηλεκτρονικού κυκλώματος, είναι δυνατό η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια να συλλεγεί και να μεταφερθεί σε μια επαναφορτιζόμενη μπαταρία. Η πυκνότητα ενέργειας που παράγουν αυτά τα υλικά όταν χρησιμοποιούνται σαν γεννήτριες είναι μεγάλη και γι' αυτό το βάρος και το μέγεθος της σχετικής συσκευής μπορεί να είναι πολύ μικρό. Τα διηλεκτρικά ελαστομερή είναι κατάλληλα για εφαρμογές όπου η ηλεκτρική ενέργεια προέρχεται από σχετικά μεγάλες κινήσεις, όπως αυτές που προκαλεί η κίνηση του ανέμου και των θαλάσσιων κυμάτων, ακόμα και η ανθρώπινη δραστηριότητα. Ηδη ο στρατός των ΗΠΑ προσπαθεί να αξιοποιήσει τη νέα τεχνολογία για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ικανής να τροφοδοτήσει ένα κινητό τηλέφωνο, τοποθετώντας ένα στρώμα πολυμερούς σε κάθε τακούνι της αρβύλας των στρατιωτών. Υπολογίζεται ότι κάθε τακούνι - γεννήτρια θα παρέχει ηλεκτρική ισχύ 1 βατ.

Τα πολυμερή που εκτείνονται υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου επιτρέπουν την κατασκευή μηχανισμών που μακραίνουν ή λυγίζουν κατά βούληση. Για την κατασκευή τους στρώματα ελαστομερούς με ελαστικά ηλεκτρόδια τυλίγονται γύρω από ελατήρια σχηματίζοντας συμπαγείς κυλίνδρους. Οι κύλινδροι αυτοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ρομποτικούς μηχανισμούς, στην προσθετική τεχνητών μελών, σε βαλβίδες και αντλίες και οπουδήποτε απαιτείται ευθύγραμμη μηχανική κίνηση. Μέχρι στιγμής έχουν καταφέρει να φτάσουν σε δύναμη τα 30 νιούτον, σε μετατόπιση τα 2 εκατοστά και σε ταχύτητα επανάληψης της κίνησης τους 50 κύκλους το δευτερόλεπτο. Για τη βελτίωση των μηχανικών τους ιδιοτήτων μπορούν είτε να κατασκευαστούν σε μεγαλύτερα μεγέθη, είτε να τοποθετηθούν σε σειρά ή παράλληλα.

Σχετικά απλές τροποποιήσεις μπορούν να δώσουν συσκευές που λυγίζουν. Αν δύο στρώματα ελαστομερούς τοποθετηθούν έτσι που το καθένα να καλύπτει τον μισό κύλινδρο (κατά μήκος), τότε εφαρμόζοντας τάση μόνο στο ένα στρώμα ο κύλινδρος λυγίζει προς την άλλη μεριά (που χωρίς τάση δεν εκτείνεται όπως η πρώτη). Πιο σύνθετες διατάξεις μπορούν να δώσουν ακόμα πιο σύνθετες κινήσεις, όπως η μίμηση της κίνησης του τζόιστικ ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή.

Χρησιμοποιώντας ένα διηλεκτρικό ελαστομερές στρώμα κυκλικού σχήματος που είναι στερεωμένο στα άκρα, πάνω σε άκαμπτη στεφάνη, μπορεί να κατασκευαστεί διάφραγμα που ενεργοποιείται (φουσκώνει προς τη μια ή την άλλη κατεύθυνση) όταν εφαρμόζεται τάση πάνω στα ηλεκτρόδιά του. Διαφράγματα αυτού του είδους μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν κινητήρες αντλιών και σε μεγάφωνα ηχείων. Στους τομείς αυτούς χρησιμοποιούνται εδώ και πολύ καιρό πιεζοηλεκτρικά υλικά, αλλά τα διηλεκτρικά ελαστομερή διαφράγματα προσφέρουν πολύ μεγαλύτερες εκτοπίσεις ρευστού.

Πώς ο ηλεκτρισμός εκτείνει ένα πλαστικό

Ο βασικός μηχανισμός λειτουργίας των νέων τεχνητών μυών, είναι αρκετά απλός. Οταν εκτεθούν σε ηλεκτρικά πεδία υψηλής τάσης (μερικών χιλιάδων βολτ), τα διηλεκτρικά ελαστομερή - όπως οι σιλικόνες και τα ακριλικά - συμπιέζονται προς την κατεύθυνση των δυναμικών γραμμών του ηλεκτρικού πεδίου και εκτείνονται προς τις άλλες δύο κατευθύνσεις. Οι συσκευές αυτές είναι στην ουσία λαστιχένιοι πυκνωτές - δύο φορτισμένες παράλληλες πλάκες που περικλείουν το διηλεκτρικό υλικό, όπως το ψωμί περικλείει το σαλάμι στο σάντουιτς. Οταν εφαρμοστεί η τάση, φορτία αντίθετης πολικότητας συσσωρεύονται στα δυο ηλεκτρόδια. Ελκονται και συμπιέζουν τον μονωτή (πολυμερές), που σαν αποτέλεσμα της μείωσης του πάχους του αυξάνει το εμβαδό του.

Τα στρώματα διηλεκτρικού ελαστομερούς (συνήθως πάχους μόλις 30 έως 60 εκατομμυριοστών του μέτρου) επενδύονται στις δύο μεγάλες επιφάνειές τους με (αγώγιμα) σωματίδια άνθρακα σε αιώρηση μέσα στο πλέγμα ενός μαλακού πολυμερούς. Ετσι τα στρώματα αυτά λειτουργούν σαν ελαστικά ηλεκτρόδια, που παρακολουθούν τη μεταβολή του σχήματος του ελαστομερούς όταν εφαρμοστεί τάση.

Τα διηλεκτρικά ελαστομερή, που μπορούν να μεταβάλλουν το μέγεθός τους μέχρι και στο 400% της μη ενεργοποιημένης μορφής τους, δεν είναι τα μόνα ηλεκτροενεργά υλικά, αλλά είναι τα πιο αποτελεσματικά. Τα χαρακτηριστικά τους είναι ανάλογα και ακόμα καλύτερα εκείνων των μυών όλων των ζώων.

Τεχνητοί μύες

Ενα βήμα πριν την εμφάνισή της σε προϊόντα του εμπορίου είναι η νέα τεχνολογία κινητήρων και γεννητριών, βασισμένων σε πολυμερή, που αλλάζουν σχήμα όταν διεγερθούν ηλεκτρικά

Είναι ένα παιχνίδι των 100 ευρώ: ένα ενυδρείο με ρομποτικά ψάρια που κολυμπούν όπως τα κανονικά. Η διαφορά βρίσκεται στο ότι τα ψάρια αυτά δεν έχουν κανένα μηχανικό μέρος: ούτε κινητήρες, ούτε άξονες μετάδοσης κίνησης, ούτε γρανάζια, ούτε καν μπαταρία. Κολυμπούν γιατί το πλαστικό από το οποίο είναι κατασκευασμένα λυγίζει πότε προς τη μια και πότε προς την άλλη κατεύθυνση, θαρρείς από μόνο του. Είναι το πρώτο εμπορικό προϊόν βασισμένο σε μια νέα γενιά βελτιωμένων ηλεκτροενεργών πολυμερών (ΗΕΠ), που αλλάζουν σχήμα αντιδρώντας στην εφαρμογή πάνω τους ενός ηλεκτρικού πεδίου.

Επί δεκαετίες, οι μηχανικοί που φτιάχνουν κάθε λογής κινητήρες αναζητούν το τεχνητό ισοδύναμο του μυός. Μεταβάλλοντας το μήκος τους κάτω από την επίδραση νευρικών ερεθισμάτων, οι μύες μπορούν να εξασκήσουν δυνάμεις ικανές να προκαλέσουν από ένα βλεφαρισμό, μέχρι την άρση ενός βαριού αντικειμένου. Οι μύες επιδεικνύουν και ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό, την ανεξαρτησία κλίμακας: ο μηχανισμός τους λειτουργεί το ίδιο αποτελεσματικά σε όλα τα μεγέθη και γι' αυτό ουσιαστικά ίδιοι μυϊκοί ιστοί κινούν τα έντομα, αλλά και τους ελέφαντες.

Τα ΗΕΠ υπόσχονται να γίνουν οι τεχνητοί μύες του μέλλοντος. Ηδη οι ερευνητές προσπαθούν να δώσουν με αυτά μικρότερες, ελαφρότερες και φτηνότερες εναλλακτικές λύσεις σε μια σειρά καθιερωμένες τεχνολογίες. Ιδιαίτερες προσπάθειες καταβάλλονται για να μειωθεί η απαιτούμενη ηλεκτρική τάση και να εξασφαλιστεί η μακρόχρονη λειτουργία των ελαστομερών κινητήρων χωρίς μεγάλη μεταβολή της απόδοσής τους.


Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»



Ευρωεκλογές Ιούνη 2024
Μνημεία & Μουσεία Αγώνων του Λαού
Ο καθημερινός ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ 1 ευρώ