Die Bekämpfung von Mückenpopulationen, insbesondere in abgelegenen oder abgelegenen Gebieten, ist eine globale Priorität für die öffentliche Gesundheit. In einer neuen Studie hat ein Team chinesischer Forscher diese Agenda mit einem effizienteren Design sicherer, autarker triboelektrischer Nanogeneratoren (TENGs) vorangetrieben, um Mücken zu töten und durch Mücken übertragene Krankheiten zu lindern.
Die Studie wurde veröffentlicht in Nanoforschungsenergie am 23. Mai 2023.
Mücken verbreiten Krankheiten wie Malaria, Gelbfieber und das Zika-Virus und töten mehr Menschen als jedes andere Lebewesen auf der Welt. Abgelegene Regionen gehören zu den am stärksten betroffenen Gebieten. Chemische Vernichtungsmethoden beinhalten giftige Materialien und Pestizide, die eine Gefahr für die menschliche Gesundheit und die Umwelt darstellen können. Bei physikalischen Vernichtungsmethoden werden Hochspannungen eingesetzt, um die Insekten zu töten. Diese Ansätze können jedoch gefährlich sein und auf eine kontinuierliche Stromversorgung angewiesen sein, die in entlegeneren Gebieten schwer zu bekommen sein kann.
„Es ist äußerst dringend, eine ungiftige, autarke und sichere Hochspannungsstromquelle zu entwickeln, um die Ausbreitung von Krankheiten durch Mücken zu verhindern, insbesondere auf abgelegenen Inseln oder abgelegenen/armen Gebieten, wo die Stromversorgung schwierig ist“, sagte Xuhua Guo, der Erstautor dieses Forschungsartikels von der Ocean University of China.
TENG-Geräte stellen eine vielversprechende Lösung für dieses Problem dar. TENGs gewinnen statische Elektrizität, indem sie niederfrequente mechanische Energie in der Umgebung in elektrischen Strom umwandeln. Aufgrund der einzigartigen Kombination aus hoher Spannung und niedrigem Strom können TENGs einfach und kostengünstig aus einer großen Auswahl an Fertigungsmaterialien entworfen werden und sind dennoch bei hoher Ausgangsspannung hocheffizient.
TENGs wurden bereits eingesetzt, um Energie aus der Bewegung menschlicher Körper, Meereswellen und anderen niederfrequenten Bewegungsquellen zu gewinnen. Um die Benutzerfreundlichkeit von TENG und die Anzahl geeigneter Anwendungen zu erhöhen, haben Wissenschaftler Strategien zur Erhöhung der TENG-Ladungsdichte und zur Verbesserung der Ausgangsleistung untersucht, einschließlich Ionenimplantation, triboelektrische Materialmodifikation, Strukturdesign und Charge Chump. Eine einfache Erhöhung der Ladungsdichte führt jedoch häufig zu einem Luftdurchschlag, einem Phänomen, das die TENG-Ausgangsleistung verringert und die maximale effektive Ausgangsleistung begrenzt.
„Der Effekt des Luftzerfalls führt dazu, dass die an der Oberfläche von TENG erzeugten Ladungen in die Atmosphäre diffundieren, was zu Ladungsverlust und einer Abnahme der Oberflächenladungsdichte führt“, sagte Guo, der auch Austauschstudent am Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems ist. „Die Ausgangsleistung von TENG hat noch nicht das höchste theoretische Niveau erreicht, daher wird die Vermeidung von Luftzerstörung zum Schlüssel zur Verbesserung der Leistung von TENG.“
Das Forschungsteam von Xiaoyi Li schlug ein neues TENG-Herstellungsdesign vor – einen hochleistungsfähigen rotierenden triboelektrischen Nanogenerator (R-TENG) –, der ein maßgeschneidertes theoretisches Luftzerlegungsmodell und eine ferroelektrische Nanokomposit-Zwischenschicht verwendet, um Luftzersetzung zu verhindern und Energieverschwendung zu reduzieren.
Bei der einfachsten Ausführung von TENG werden elektrische Ladungen an den Kontaktflächen getrennt und zwischen den Flächen ein elektrisches Potenzial erzeugt. Wenn sich die Filme während der Bewegung trennen, entsteht zwischen den beiden Elektroden eine wechselnde Potentialdifferenz, die den Stromfluss bewirkt. Um die Leistung zu steigern, umfasste das R-TENG-Design des Teams eine Zwischenschicht mit hochorientierten Bariumtitanat-Nanopartikeln, um die Oberflächenladungsdichte und die Retentionsfähigkeit der triboelektrischen Ladungen zu erhöhen.
„Wir haben auch maßgeschneiderte theoretische Simulationen basierend auf Gradienten-Elektrodenabständen erstellt, um Spaltwinkel und Segmentzahlen der Elektroden zu optimieren, was einen Luftdurchschlag verhindern und die R-TENG-Ausgangsenergie um mindestens das 1,5-fache steigern könnte“, sagte Guo.
Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass mit Hilfe von Verwaltungsschaltkreisen die Ausgangsspannung 6 kV erreichen kann – einer der leistungsstärksten triboelektrischen Generatoren – mit der Fähigkeit, mehr als 3.420 LEDs kontinuierlich zum Leuchten zu bringen.
„Wir haben ein autarkes Hochspannungs-Krankheitspräventionssystem basierend auf dem leistungsstarken R-TENG entwickelt, das nicht nur Mücken wirksam abtöten kann, sondern auch die Fähigkeit besitzt, Bakterien in der Umwelt zu zerstören“, sagte Guo.
Als nächstes wird sich das Forschungsteam auf die Verbesserung der Leistung von TENG und die Förderung seiner kommerziellen Anwendungen konzentrieren.
Mehr Informationen:
Xuhua Guo et al., Hochleistungsfähiger triboelektrischer Nanogenerator basierend auf theoretischer Analyse und ferroelektrischen Nanokompositen und ihren Hochspannungsanwendungen, Nanoforschungsenergie (2023). DOI: 10.26599/NRE.2023.9120074