Tim peneliti internasional yang dipimpin oleh para ilmuwan di The University of Texas di Dallas dan Universitas Hanyang di Korea Selatan telah mengembangkan benang berteknologi tinggi yang dapat menghasilkan listrik saat benang tersebut diregangkan atau dipelintir.
Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan dalam jurnal Science edisi 25 Agustus, para periset mendeskripsikan benang “twistron” dan kemungkinan aplikasinya, seperti memanen energi dari gerakan gelombang laut atau dari fluktuasi suhu. Saat dijahit ke dalam kemeja, benang ini berfungsi sebagai monitor pernapasan bertenaga mandiri.
“Cara termudah untuk menjelaskan pemanen twistron adalah, Anda memiliki sepotong benang, Anda meregangkannya, lalu menghasilkan listrik,” kata Dr. Carter Haines, profesor riset asosiasi di Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute di UT Dallas dan rekannya penulis artikel. Artikel tersebut juga mencakup peneliti dari Korea Selatan, Virginia Tech, Pangkalan Angkatan Udara Wright-Patterson dan China.
Benang Berbasis Nanoteknologi
Benang tersebut dibuat dari tabung nano karbon, yang merupakan silinder berongga karbon berdiameter 10.000 kali lebih kecil dari pada rambut manusia. Para peneliti pertama memutar-memutar nanotube menjadi kekuatan tinggi, benang yang sangat ringan. Untuk membuat benang sangat elastis, mereka memperlakukan begitu banyak lilitan sehingga benang itu melengkung seperti karet gelang yang dililit.
Untuk menghasilkan listrik, benang harus dicelupkan ke dalam atau dilapisi dengan bahan pengolah ionik, atau elektrolit, yang bisa sesederhana campuran garam meja biasa dan air.
“Pada dasarnya, benang ini adalah supercapacitors,” kata Dr. Na Li, seorang ilmuwan riset di NanoTech Institute dan co-lead author dari penelitian ini. “Dalam kapasitor normal, Anda menggunakan energi – seperti dari baterai – untuk menambahkan beban pada kapasitor. Tetapi dalam kasus kami, saat Anda memasukkan benang nanotube karbon ke dalam bak elektrolit, benang tersebut diberi tenaga oleh elektrolit itu sendiri. Tidak ada baterai eksternal atau voltase yang dibutuhkan. ”
Ketika benang pemanen listrik dipelintir atau diregangkan, volume benang nanotube karbon berkurang, sehingga muatan listrik pada benang semakin dekat dan meningkatkan energinya, kata Haines. Hal ini meningkatkan voltase yang terkait dengan muatan yang tersimpan dalam benang, sehingga memungkinkan pemanenan listrik.
Peregangan benang twistron melingkar 30 kali menghasilkan 250 watt per kilogram tenaga listrik puncak saat dinormalisasi dengan berat pemanen, kata Dr. Ray Baughman, direktur Institut NanoTech dan penulis studi yang sesuai.
“Meskipun banyak pemanen listrik alternatif telah diteliti selama beberapa dekade, tidak ada pemanen yang dilaporkan menyediakan tenaga listrik atau keluaran energi per siklus yang tinggi seperti tingkat peregangan antara beberapa siklus per detik dan 600 siklus per detik.”
Tes Laboratorium Menunjukkan Potensi Aplikasi
Di laboratorium, para periset menunjukkan bahwa benang twistron dengan berat kurang dari satu lalat bisa menyalakan LED kecil, yang menyala setiap kali benang itu diregangkan.
Untuk menunjukkan bahwa twistrons dapat memanen energi panas dari lingkungan, Li menghubungkan benang twistron ke otot polimer buatan yang berkontraksi dan mengembang saat dipanaskan dan didinginkan. Pemanen twistron mengubah energi mekanik yang dihasilkan oleh otot polimer menjadi energi listrik.
“Ada banyak minat untuk menggunakan energi limbah untuk menyalakan Internet of Things, seperti array sensor terdistribusi,” kata Li. “Teknologi Twistron mungkin dimanfaatkan untuk aplikasi seperti itu dimana mengganti baterai yang tidak praktis.”
Para periset juga menjahit pemanen twistron pada sebuah kemeja. Pernapasan normal membentang benang dan menghasilkan sinyal listrik, menunjukkan potensinya sebagai sensor respirasi bertenaga diri.
“Tekstil elektronik memiliki keuntungan komersial yang besar, tapi bagaimana Anda akan memberi kuasa kepada mereka?” Kata Baughman. “Pemanenan energi listrik dari gerakan manusia adalah salah satu strategi untuk menghilangkan kebutuhan baterai. Benang kami menghasilkan daya listrik seratus kali lebih tinggi per berat bila diregangkan dibandingkan serat tenun lainnya yang dilaporkan dalam literatur.”
Listrik dari Gelombang Laut
“Di laboratorium kami menunjukkan bahwa pemanen energi kami menggunakan larutan garam meja sebagai elektrolit,” kata Baughman, “Tapi kami ingin menunjukkan bahwa mereka juga dapat bekerja di perairan laut, yang secara kimiawi lebih kompleks.”
Dalam demonstrasi proof-of-concept, rekan penulis Dr. Shi Hyeong Kim, seorang peneliti postdoctoral di Institut NanoTech, memasuki permukaan air dingin di lepas pantai timur Korea Selatan untuk menyebarkan twistron melingkar di laut. Dia menempelkan benang sepanjang 10 sentimeter, dengan berat hanya 1 miligram (sekitar berat nyamuk), di antara balon dan penyerap yang menempel di dasar laut.
Setiap kali gelombang laut tiba, balon akan naik, merentangkan benang hingga 25 persen, sehingga menghasilkan listrik terukur.
Meskipun para peneliti menggunakan benang twistron dalam jumlah kecil dalam penelitian ini, mereka menunjukkan bahwa kinerja pemanen terukur, keduanya meningkatkan diameter twistron dan dengan mengoperasikan beberapa benang secara paralel.
“Jika pemanen twistron kami bisa dibuat lebih murah, mereka mungkin bisa memanen sejumlah besar energi yang tersedia dari gelombang laut,” kata Baughman. “Namun, saat ini pemanen ini paling sesuai untuk menyalakan sensor dan komunikasi sensor. Berdasarkan keluaran daya rata-rata yang ditunjukkan, hanya 31 miligram pemanen benang nano karbon yang dapat menyediakan energi listrik yang dibutuhkan untuk mengirimkan paket data 2 kilobyte lebih dari radius 100 meter setiap 10 detik untuk Internet Things. “
