Verminderde warmtelekkage verbetert draagbaar gezondheidsapparaat

Ingenieurs van de North Carolina State University blijven de efficiëntie verbeteren van een flexibel apparaat dat om de pols wordt gedragen en dat warmte-energie uit het menselijk lichaam haalt om de gezondheid te bewaken.

De onderzoekers rapporteren significante verbeteringen in het voorkomen van warmtelekkage in de flexibele body heat harvester die ze voor het eerst meldden in 2017 en bijgewerkt in 2020. De harvesters gebruiken warmte-energie van het menselijk lichaam om draagbare technologieën aan te drijven - denk aan slimme horloges die je hartslag en bloed meten. zuurstof, glucose en andere gezondheidsparameters - die hun batterijen nooit hoeven op te laden. De technologie is gebaseerd op dezelfde principes die gelden voor starre thermo-elektrische oogstmachines die warmte omzetten in elektrische energie.

Flexibele oogstmachines die zich aanpassen aan het menselijk lichaam zijn zeer gewenst voor gebruik met draagbare technologieën. Mehmet Ozturk, een NC State-hoogleraar elektrische en computertechniek, noemde superieur huidcontact met flexibele apparaten, evenals de ergonomische en comfortoverwegingen voor de drager van het apparaat, als de belangrijkste redenen voor het bouwen van flexibele thermo-elektrische generatoren of TEG's.

De prestaties en efficiëntie van flexibele oogstmachines blijven echter historisch gezien ver achter bij starre apparaten, die superieur waren in hun vermogen om lichaamswarmte om te zetten in bruikbare energie.

De proof-of-concept TEG die oorspronkelijk in 2017 werd gerapporteerd, maakte gebruik van halfgeleiderelementen die elektrisch in serie waren geschakeld met behulp van vloeibaar-metaalverbindingen gemaakt van EGaIn - een niet-toxische legering van gallium en indium. EGaIn zorgde voor zowel metaalachtige elektrische geleidbaarheid als rekbaarheid. Het hele apparaat was ingebed in een rekbaar siliconenelastomeer.

Het verbeterde apparaat dat in 2020 werd gerapporteerd, gebruikte dezelfde architectuur, maar verbeterde de thermische engineering van de vorige versie aanzienlijk, terwijl de dichtheid van de halfgeleiderelementen die verantwoordelijk zijn voor het omzetten van warmte in elektriciteit, werd verhoogd. Een van de verbeteringen was een siliconenelastomeer met hoge thermische geleidbaarheid - in wezen een soort rubber - dat de EGaIn-verbindingen omhulde.

De nieuwste iteratie voegt aerogelvlokken toe aan het siliconenelastomeer om de thermische geleidbaarheid van het elastomeer te verminderen. Experimentele resultaten toonden aan dat deze innovatie de warmtelekkage door het elastomeer met de helft verminderde.

"De toevoeging van aerogel voorkomt dat de warmte lekt tussen de thermo-elektrische 'poten' van het apparaat", zei Ozturk. "Hoe hoger de warmtelekkage, hoe lager de temperatuur die zich over het apparaat ontwikkelt, wat zich vertaalt in een lager uitgangsvermogen."

"Het flexibele apparaat dat in dit artikel wordt gerapporteerd, presteert een orde van grootte beter dan het apparaat dat we in 2017 hebben gerapporteerd en blijft de prestaties van stijve apparaten benaderen", voegde hij eraan toe.

Ozturk zei dat een van de sterke punten van de door NC State gepatenteerde technologie is dat het dezelfde halfgeleiderelementen gebruikt die worden gebruikt in stijve apparaten die na tientallen jaren van onderzoek zijn geperfectioneerd. De aanpak biedt ook een goedkope mogelijkheid aan bestaande fabrikanten van stijve thermo-elektrische modulen om de flexibele thermo-elektrische markt te betreden.

Hij voegde eraan toe dat zijn lab zich zal blijven concentreren op het verbeteren van de efficiëntie van deze flexibele apparaten.