Triboelektrische nanogenerator: elektriciteit uit wrijving en beweging
Iedereen kent het gevoel: je trekt een wollen trui uit en je haar gaat rechtop staan, of je krijgt een tikje statische elektriciteit als je een deurklink aanraakt na het lopen over tapijt. Dat is het triboelektrisch effect — elektrische lading die ontstaat doordat twee materialen elkaar aanraken en weer loslaten. Een triboelektrische nanogenerator, kortweg TENG, is een apparaatje dat precies dit effect gebruikt, maar dan gecontroleerd en herhaald, om er bruikbare elektrische stroom uit te halen.
Denk aan een klein kussentje van twee verschillende kunststoffen met daarachter een dun laagje metaal als elektrode. Elke keer dat je erop drukt of het laat trillen, botsen de materialen tegen elkaar en springen weer uit elkaar. Bij elke cyclus verschuift er een beetje lading, en die beweging van lading kun je opvangen als stroompje. Zet je zo'n generator in je schoenzool, in een vloertegel of aan een boei op zee, dan verandert elke stap, trilling of golfbeweging in een piepklein scheutje elektriciteit — genoeg om bijvoorbeeld een sensor te voeden zonder batterij.
Wat is het precies?
De basis is “contact-elektrificatie”: wanneer twee verschillende materialen elkaar aanraken, nemen elektronen van het ene materiaal over naar het andere. Dit gebeurt al bij het simpelweg tegen elkaar wrijven van twee stoffen, en is al eeuwenlang bekend als statische elektriciteit. Sommige materialen geven elektronen makkelijk af, andere nemen ze juist makkelijk op; wetenschappers rangschikken stoffen hiervoor in een zogeheten triboelektrische reeks, met bijvoorbeeld teflon (PTFE) aan de ene kant en nylon of menselijke huid aan de andere kant.
Een TENG bestaat meestal uit twee lagen van zulke tegengestelde materialen, elk met een metalen elektrode aan de achterkant. Zodra de lagen elkaar raken en weer scheiden, ontstaat een ladingsverschil tussen de elektroden. Dat verschil drijft elektronen door een draad heen en weer tussen de twee elektroden — dit heet elektrostatische inductie. Het resultaat is een wisselstroompje, telkens wanneer de lagen bewegen.
Onderzoekers onderscheiden vier basiswerkingen: contact-en-scheiding (de lagen klappen tegen elkaar en weer los, zoals bij drukken), laterale wrijving (de lagen schuiven zijdelings langs elkaar), een enkel-elektrode-opstelling (bijvoorbeeld een vinger die een oppervlak aanraakt zonder dat er een tweede elektrode op het bewegende deel zit) en een vrij bewegende laag tussen twee vaste elektroden (handig voor trillingen of rollende bewegingen). Welke vorm het beste werkt, hangt af van de toepassing: schoenen, vloeren, textiel, golfboeien of kleine sensoren hebben elk hun eigen ideale ontwerp.
Het woord “nano” verwijst niet zozeer naar de grootte van het hele apparaat — dat kan prima handpalmgroot of groter zijn — maar naar de nanostructurering van het oppervlak. Door het contactoppervlak ruw te maken op nanoschaal, bijvoorbeeld met piramidevormige patroontjes, vergroot je het effectieve contactoppervlak enorm en daarmee ook de hoeveelheid lading die wordt opgewekt.
Wat wil men ermee bereiken?
Het achterliggende doel is het oogsten van mechanische energie die anders verloren gaat: het schudden van een rugzak, het trillen van een brug, het stromen van wind of golven, de druk van voetstappen. Deze vormen van beweging zijn overal aanwezig maar meestal te zwak, te onregelmatig of te laagfrequent voor klassieke generatoren met spoelen en magneten, die juist goed werken bij hoge, gelijkmatige snelheden. TENG's zijn daarentegen juist effectief bij lage frequenties en onregelmatige bewegingen, en ze zijn licht, goedkoop te maken en kunnen van flexibele of zelfs biologisch afbreekbare materialen worden gemaakt.
De grote belofte is “zelfvoorzienende sensoren”: piepkleine meetapparaatjes die geen batterij nodig hebben omdat ze hun eigen, zeer bescheiden stroombehoefte uit hun omgeving halen. Met de opkomst van het Internet of Things — miljarden sensoren die temperatuur, beweging, druk of vochtigheid meten — is batterijvervanging een praktisch en ecologisch probleem. Een sensor die zichzelf voedt uit trillingen of aanraking hoeft nooit een batterij te krijgen of te verliezen.
Een tweede, ambitieuzere belofte heet “blauwe energie”: het oogsten van de enorme, maar diffuse hoeveelheid bewegingsenergie in oceaangolven, op een schaal die uiteindelijk zou kunnen bijdragen aan het elektriciteitsnet. Dat is nog verre toekomstmuziek, maar het laat zien waarom onderzoekers dit veld serieus nemen: in theorie zit er wereldwijd ontzettend veel onbenutte, laagfrequente mechanische energie.
Voorbeelden uit de praktijk
De eerste triboelektrische nanogenerator werd in 2012 gepresenteerd door de groep van materiaalwetenschapper Zhong Lin Wang, destijds verbonden aan Georgia Institute of Technology in de Verenigde Staten en aan de Chinese Academy of Sciences. Dat prototype was niet veel meer dan twee kunststof plaatjes die tegen elkaar klapten, maar het legde de basis voor een heel onderzoeksveld.
Rond 2015-2017 bouwde Wangs team, inmiddels verbonden aan het speciaal opgerichte Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems, netwerken van golfbestendige TENG-ballen: lichte, ingekapselde bolletjes die op zee dobberen en bij elke golfbeweging stroom opwekken. Proeven met zulke netwerken, onder meer getest in de Zuid-Chinese Zee, moesten laten zien of grootschalige “blauwe energie”-oogst haalbaar is.
Tijdens de coronapandemie publiceerden onderzoeksgroepen (onder meer in China en Zuid-Korea) rond 2020 triboelektrische mondmaskers die ademhaling konden monitoren: de luchtstroom bij in- en uitademen zette een dun membraan in trilling, wat een elektrisch signaal opleverde zonder batterij, bruikbaar voor het detecteren van ademhalingspatronen.
Ook zijn er prototypes van slimme vloertegels en schoenzolen die bij elke voetstap een piekje stroom opwekken, gebruikt om voetgangersaantallen te tellen of om bewegingssensoren in gebouwen te voeden, met testopstellingen bij onder andere Chinese universiteiten vanaf ongeveer 2017.
Tot slot experimenteren onderzoekers aan onder meer de Sungkyunkwan University in Zuid-Korea, onder leiding van Sang-Woo Kim, met triboelektrische textielvezels die in kleding verweven kunnen worden, zodat gewone beweging van de drager kleine wearables zoals gezondheidssensoren van stroom voorziet.
Hoe ver is de techniek?
TENG-onderzoek is de afgelopen tien jaar snel gegroeid: het aantal wetenschappelijke publicaties is sterk toegenomen en de opgewekte vermogensdichtheid is in die periode van milliwatts per vierkante meter naar tientallen watts per vierkante meter gestegen onder laboratoriumomstandigheden. Toch bevindt vrijwel alle toepassing zich nog in de fase van laboratoriumprototype of kleinschalige praktijktest, niet in massaproductie.
De belangrijkste obstakels zijn duurzaamheid en stabiliteit: de oppervlakken die telkens tegen elkaar botsen, slijten, en vochtigheid in de lucht kan de triboelektrische lading flink verminderen. Daarnaast is de opgewekte stroom van nature een korte, hoogspannende piek die niet rechtstreeks bruikbaar is voor elektronica; er is altijd een extra schakeling nodig die de stroom gelijkrichten en oplaat in bijvoorbeeld een condensator, wat het totale systeem complexer en duurder maakt dan de generator zelf.
Voor de belofte van blauwe energie op werkelijk grote schaal ontbreekt vooralsnog overtuigend bewijs dat het economisch kan concurreren met bijvoorbeeld offshore wind. Voor kleinschalige, zelfvoorzienende sensoren — waar de lat veel lager ligt omdat er maar microwatts nodig zijn — is de techniek al dichter bij praktische toepassing, al zijn er nog nauwelijks commerciële producten die uitsluitend op TENG draaien.
Wie werken eraan?
China is al jaren toonaangevend in dit veld, met Zhong Lin Wang als meest aangehaalde naam en het door hem opgerichte Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems (onderdeel van de Chinese Academy of Sciences) als centraal onderzoekscentrum. Ook Georgia Institute of Technology in de Verenigde Staten, waar Wang eveneens is aangesteld, speelt een belangrijke rol.
In Zuid-Korea doen onder meer onderzoeksgroepen aan de Sungkyunkwan University en het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) gericht onderzoek naar draagbare en textielgebonden toepassingen. Daarnaast publiceren universiteiten in Europa — onder andere in het Verenigd Koninkrijk, Duitsland en Zweden — regelmatig over materiaalkeuzes en toepassingen in sensortechniek, vaak met steun van nationale wetenschapsfondsen of Europese onderzoeksprogramma's. Het blijft vooralsnog grotendeels academisch onderzoek; grote energie- of elektronicabedrijven zijn wel geïnteresseerde waarnemers en financiers van onderzoek, maar hebben nog geen grootschalige commerciële producten op de markt gebracht.