Mosquito-zappers krijgen een boost door het herontwerp van de oogstmachine voor statische elektriciteit

Het beheersen van muggenpopulaties, vooral in geïsoleerde of afgelegen gebieden, is een wereldwijde prioriteit voor de volksgezondheid. In een nieuwe studie bracht een team van Chinese onderzoekers deze agenda naar voren met een efficiënter ontwerp van veilige, zelfaangedreven tribo-elektrische nanogeneratoren (TENG’s) om muggen te zappen en de door muggen overgedragen ziekten te verminderen.

De studie is gepubliceerd in Nano-onderzoeksenergie op 23 mei 2023.

Door ziekten als malaria, gele koorts en het Zika-virus te verspreiden, doden muggen meer mensen dan enig ander wezen ter wereld, en geïsoleerde regio’s behoren tot de zwaarst getroffen gebieden. Bij chemische vernietigingsmethoden zijn giftige materialen en pesticiden betrokken die een bedreiging kunnen vormen voor de menselijke gezondheid en het milieu. Fysieke uitroeiingsmethoden gebruiken hoge spanningen om de insecten te zappen, maar deze benaderingen kunnen gevaarlijk zijn en zijn afhankelijk van een continue stroomvoorziening, die in meer afgelegen gebieden moeilijk te vinden kan zijn.

“Het is zeer urgent om een ​​niet-giftige, zelfaangedreven en veilige hoogspanningsbron te ontwikkelen om ziekteverspreiding door muggen te voorkomen, vooral op geïsoleerde eilanden of afgelegen/arme gebieden waar het leveren van elektriciteit moeilijk is”, zei Xuhua Guo, de eerste auteur van dit onderzoeksartikel van de Ocean University of China.

TENG-apparaten bieden een veelbelovende oplossing voor dit probleem. TENG’s oogsten statische elektriciteit door laagfrequente mechanische energie in de omgeving om te zetten in elektrische energie. Door de unieke combinatie van hoge spanning en lage stroom kunnen TENG’s eenvoudig en goedkoop worden ontworpen uit een brede selectie fabricagematerialen, terwijl ze nog steeds zeer efficiënt zijn met een hoge uitgangsspanning.

TENG’s zijn al gebruikt om energie te oogsten uit beweging van menselijke lichamen, oceaangolven en andere laagfrequente bewegingsbronnen. Om de bruikbaarheid van TENG en het aantal geschikte toepassingen te vergroten, hebben wetenschappers strategieën onderzocht om de TENG-ladingsdichtheid te verhogen en de outputprestaties te verbeteren, waaronder ionenimplantatie, tribo-elektrische materiaalmodificatie, structureel ontwerp en ladingsafbraak. Het simpelweg verhogen van de ladingsdichtheid zal echter vaak leiden tot luchtdoorslag, een fenomeen dat de TENG-uitgangsprestaties vermindert en het maximale effectieve uitgangsvermogen beperkt.

“Het luchtdoorslageffect zorgt ervoor dat de ladingen die aan het oppervlak van TENG worden gegenereerd, in de atmosfeer diffunderen, wat resulteert in ladingsverlies en een afname van de oppervlakteladingsdichtheid”, zegt Guo, die ook een uitwisselingsstudent is van het Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems. “De uitvoerprestaties van TENG hebben nog niet het hoogste theoretische niveau bereikt, dus het vermijden van luchtdoorslag wordt de sleutel tot het verbeteren van de prestaties van TENG.”

Het onderzoeksteam van Xiaoyi Li stelde een nieuw TENG-fabricageontwerp voor – krachtige roterende tribo-elektrische nanogenerator (R-TENG) – met behulp van een op maat gemaakt theoretisch model voor luchtafbraak en een ferro-elektrische nanocomposiet-tussenlaag om luchtafbraak te voorkomen en verspilde energie te verminderen.

In het eenvoudigste ontwerp van TENG worden elektrische ladingen gescheiden op de contactoppervlakken en wordt een elektrisch potentiaal gegenereerd tussen de oppervlakken. Wanneer de films tijdens beweging worden gescheiden, ontstaat er een wisselend potentiaalverschil tussen de twee elektroden, waardoor de stroom gaat lopen. Om de prestaties te verbeteren, bevatte het R-TENG-ontwerp van het team een ​​tussenlaag met sterk georiënteerde nanodeeltjes van bariumtitanaat om de oppervlakteladingsdichtheid en het retentievermogen van de tribo-elektrische ladingen te vergroten.

“We hebben ook op maat gemaakte theoretische simulaties opgesteld op basis van gradiëntelektrodeopeningen om de spleethoeken en segmentaantallen van de elektroden te optimaliseren, wat luchtafbraak zou kunnen voorkomen en de R-TENG-uitvoerenergie met minstens 1,5 keer zou kunnen verbeteren, ” zei Guo.

De resultaten van de studie toonden aan dat, met behulp van beheercircuits, de uitgangsspanning 6 kV kan bereiken – een van de best presterende tribo-elektrische generatoren – met de mogelijkheid om continu meer dan 3.420 LED’s te laten branden.

“We hebben een zelfaangedreven ziektepreventiesysteem met hoog voltage gemaakt op basis van de krachtige R-TENG, die niet alleen muggen effectief kan doden, maar ook de kracht heeft om bacteriën in het milieu te vernietigen,” zei Guo.

Vervolgens zal het onderzoeksteam zich richten op het verbeteren van de prestaties van TENG en het promoten van de commerciële toepassingen ervan.